【C++入门】模板初识：泛型编程、函数模板和类模板

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一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？
我们可以使用函数重载完成这个需求：

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个缺点：

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

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。

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。

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二、函数模板

1. 概念

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
返回值类型 函数名(参数列表) {}

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

注意：
typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class(不能使用struct代替class)

3. 原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器使用时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

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来 推演生成对应类型的函数以供调用。

比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，字符类型同理。

4. 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。

1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

红框中的语句不能通过编译，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num1将T推演为int类型，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T, 编译器因无法确定此处该将T确定为int 类型还是 double类型而报错。

注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作（即不会将这里的int类型的num1隐式提升为double类型），因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。

这里的Add函数形参类型为const T&，原因是强制类型转换并不是把d1真的直接转换为int类型，而是生成了一个int类型的临时变量作为实参，临时变量具有常性，可以理解为使用了const修饰。

此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转换 2. 使用显式实例化

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果没有转换成功编译器将会报错

5. 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

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

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

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三、类模板

1. 定义格式

template
class 类模板名
{
    // 类内成员定义
};

// 动态顺序表
// 注意：Vector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 Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	// 析构函数：这里演示在类中声明，在类外定义。
	~Vector(); 
	void PushBack(const T& data);
	void PopBack();
		// ...
	size_t Size() { return _size; }
	T& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos < _size); 
		return _pData[pos];
	}
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

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。

// Vector类名，Vector才是类型
Vector<int> s1; 
Vector<double> s2;

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