【C++】模板初阶

【C++】模板初阶

作者：爱写代码的刚子
时间：2023.5.26
本篇博客主要介绍泛型编程、函数模板、类模板。以及模板的用途，为之后STL的学习打下基础。

泛型编程

引入：之前在对算法的学习中频繁地使用了Swap函数进行交换。对于交换不同类型的数据我们可以使用函数重载，但是这并不是最优的选择。
理由：

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

那我们如何实现一个通用的交换函数呢？（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。

函数模板

函数模板概念：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。

函数模板格式

template
返回值类型 函数名(参数列表){}

以下以Swap函数的实现举例：

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

或者：

template<class T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)。T可以换成其他字母，但我们常用T。

函数模板的原理

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。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，对于字符类型也是如此。（让编译器做最累的事）

编译器并不是调用模板，编译器自己推导模板参数的类型，再将函数模板实例化成具体的函数让编译器进行调用，调用的函数并不是同一个函数。

函数模板的实例化

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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
• 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
  举例：
  

使用显式实例化的类似场景：

因为有些函数无法自动推断类型，只能显式实例化，或者用户自己强制类型转换。

细节点：函数模板中的形参用了const修饰，如果不用const修饰，传入的参数可能发生隐式类型转换导致权限放大。
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。

模板参数的匹配规则

• 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
• 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
• 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

类模板

普通类：类名和类型是一样的。
类模板：类名和类型不一样。

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

类模板的定义格式

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

类模板的声明和定义分离有些特殊

// 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)
	{}

	// 使用析构函数演示：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()//注意这里是Vector::而不是Vector::
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

以下为错误示范：

【总结】

如果类模板要声明和定义分离
1.声明和定义前都要加上模板。
2.定义时指定的类域要用类名加模板参数列表+::表示(例：void Stack < int >:: print(){})

类模板的实例化

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。

附问题：
【问题1】：auto也能自动识别类型，那能否用auto实现模板？
不行，(1)auto声明的变量必须要初始化，否则编译器不能判断变量的类型。(2)auto不能被声明为返回值，auto不能作为形参，auto不能被修饰为模板参数。

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模板初阶结束