[C++]模板初阶

[C++]模板初阶

一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	Swap(a, b);
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	return 0;
}

但是，我们发现这样的程序只能交换整型变量的值，我们如果要再交换double、float或者是其他类型的值时，我们是不是又该写出对应的交换函数呢？

• 重载的函数仅仅是参数类型不同，代码复用率比较低，并且只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数；
• 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

这样就太麻烦了，于是C++引入了模板。

模板分为两类：函数模板和类模板

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础:

二、函数模板

1.概念

1. 函数模板不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实际参数决定其功能。
2. 函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

2.格式

template <class 类型参数1, class 类型参数2, ...>
返回值类型  模板名(形参表)
{
    函数体
}

注意: typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class,不能使用struct代替class。

3.使用

在有了模板后，重复的代码就不用再写了。

template <class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	Swap(a, b);
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;

	double c = 0.01;
	double d = 100.02;
	Swap(c, d);
	cout << c << endl;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

4.原理

当我们写出函数模板后

void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

编译器会通过我们传进去的参数来推衍出，我们此时需要的是什么类型的函数

如果我们传整型，那么在编译器就会自己把T位置全部换为整型，如：

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

若是double，则换为double。若是其他类型，则换为其他类型。

这些都是编译器会替我们做好的事情。

所以函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。

5.实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

隐式实例化

概念：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

template <class T>
T add(T& x, T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int ret1 = add(a, b);
	double c = 10.2;
	double d = 10.7;
	double ret2 = add(c, d);
	cout << ret1 << endl;
	cout << ret2 << endl;
	return 0;
}

下面两个函数调用Add函数的地方是同一个还是两个?

答案是两个。

我们进入反汇编即可查看到两个函数的地址不同。

那如果我们交换a和c的值会怎么样呢？

• 该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型。
• 通过实参a将T推演为int，通过实参c将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错。
• 在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。
• 对于上面这种情况一共有三种解决方式：用户对实参进行强转、增加模板参数或者显示实例化；

1.强制类型转换

注意：隐式类型转换和强制类型转换不会改变原有的类型，只是生成了一个临时变量。

2.增加模板

但是这里又出现了一个新问题，返回值改用T1还是T2。

3.显示实例化

显示实例化

概念：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

template <class T>
T add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 10.2;
	double d = 10.7;
	cout << add<int>(a, b) << endl;
	cout << add<double>(a, c) << endl;
	cout << add<int>(a, c) << endl;
	return 0;
}

注意：显式示例化的原理和用户强转类似，只不过这里是编译器自动将 c强转为 int 然后传递给形参，或者将 a 强转为 double 传递给形参；同时，这里函数的形参也必须用 const 修饰。

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

6.模板参数的匹配原则

1.一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。

int add(int left, int right)
{
	cout << "normal add" << endl;
	return left + right;
}

template<class T>
T add(T left, T right)
{
	cout << "template add" << endl;
	return left + right;
}
int main()
{
	cout << add(1, 2) << endl;
	cout << add<int>(1, 2) << endl;

	return 0;
}

---

• 当一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在时，如果我们不显式实例化，编译器会去调用非模板函数，而不会去实例化模板；如果我们显示实例化，编译器会调用通过函数模板实例化得到的函数。

• 显示实例化后程序能够正常运行，也说明了通过函数模板实例化出的函数与非模板函数 (普通函数) 的函数名修饰规则不同，否则会发生编译错误。

---

2.对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板。

int add(int left, int right)
{
	cout << "normal add" << endl;
	return left + right;
}

template<class T1, class T2>
T1 add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "template add" << endl;
	return left + right;
}
int main()
{
	add(1, 2);
	add(1, 2.0);
	return 0;
}

3.模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

template<typename T>
T add1(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int add2(int a, double b)
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = add1(1, 1.1); //模板函数不允许自动类型转换
	int b = add2(1, 1.1);
	return 0;
}

三、类模板

1.格式

template<class T1, class T2, …, class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

我们实现一个模板类的栈。

// 注意：Stack不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template <class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
	}

	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = NULL;
		_top = _capacity = 0;
	}

	void Push(T x)
	{
		_a[_top++] = x;
	}

private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

我们过去写的栈呢，只能储存一种类型的数据，如：int

typedef int STDateType;

由于我们实现的栈使用的是顺序表，所以开辟的数组已经限制了我们存储数据的类型。

STDateType* _a;

而有了模板类，我们就可以不用再写出一样的类(不一样的类型)来存储不同类型的数据了。

2.实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

注意：类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

_a;
int _top;
int _capacity;
};

我们过去写的栈呢，只能储存一种类型的数据，如：`int`

```shell
typedef int STDateType;

由于我们实现的栈使用的是顺序表，所以开辟的数组已经限制了我们存储数据的类型。

STDateType* _a;

而有了模板类，我们就可以不用再写出一样的类(不一样的类型)来存储不同类型的数据了。

2.实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

注意：类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。