C++模板初阶
C++模板初阶
- 1.泛型编程
- 2.函数模板
-
- 2.1函数模板概念
- 2.2函数模板格式
- 2.3函数模板的原理
- 2.4函数模板的实例化
- 2.5模板参数的匹配原则
- 3.类模板
-
- 3.1类模板的格式
- 3.2类模板的实例化
1.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;
}
void Swap(double& x, double& y)
{
double tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
Swap(a, b);
double c = 1.0, d = 2.0;
Swap(c, d);
return 0;
}
使用函数重载，可以满足不同类型交换函数，但是出现一个类型就需要写对应类型的交换函数，并且这些交换函数的逻辑都是一样的，只是类型不一样。那么能否告诉编译器一个模板，让编译器根据不同的类型利用该模板来生成对应的代码呢？
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。
2.函数模板
2.1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。
2.2函数模板格式
template
返回值类型 函数名(参数列表){}
//因为类型不同导致需要写重复的函数，因此创建一个虚拟类型T，来适应各种不同类型的函数
//函数模板
template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
Swap(a, b);
double c = 1.0, d = 2.0;
Swap(c, d);
return 0;
}
注意：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class
2.3函数模板的原理
当我们调用Swap函数的时候，编译器给我走的是函数模板，但是底层真的走的是这个吗？我们转到反汇编看看。
可以看见，我们调用的是不同类型的Swap函数。是编译器自动生成的。
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int类型也同样如此。
对于同样类型的调用的是同一个函数。
2.4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
template<class T>
T Add(const T& left,const T& right)
{
return left + right;
}
int main()
{
int a = 10, b = 20;
Add(a, b);
double c = 10.0, d = 20.2;
Add(c, d);
//设想一下如果使用不同类型，这里会是怎么样的？
Add(a, c);
return 0;
}
看结果。编译会报这样的错误。
原因是，编译器在推演的过程中就报错了，那为什么不是在函数模板实例化过程中报错呢？
因为在函数模板实例化的时候，就有了这个具体函数，然后这里涉及隐式类型转换，并且参数由const修饰是没问题的，因此在推演的过程中就报错了。
那么如何解决这个不同类型的问题呢？
//两种处理方式：1.用户自己来强制转换 2.使用显示实例化
//1.
Add((double)a, c);
如果把参数的const去掉，这里强制类型转换还是会出问题，因为临时变量具有常量性质，引用不能引用常量。必须加上const才可以。
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()
{
//显示实例化
Add<double>(a, c);
return 0;
}
不用推演，直接实例化一份指定类型的函数，如果类型不一样，还是涉及隐式类型的转换，如果无法转换编译器将会报错。
函数模板还支持多个参数
//多个参数的函数模板
template<class T1,class T2>
T1 Add(const T1& x, const T2& y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
double c = 1.0, d = 2.2;
//下面都正常
Add(a, b);
Add(c, d);
Add(a, c);
Add(c, b);
return 0;
}
2.5模板参数的匹配原则
1.一个非模板函数可以和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。
同时存在的原因是因为，函数名修饰规则不一样。
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1, 2); //调用非模板函数
Add<int>(1, 2); // 显示调用函数模板生成的函数
}
- 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
为什么条件相同会优先调用非模板函数呢？
原因是因为，编译器也懒，有一个现成的，就不会再麻烦生成一个了。
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
}
- 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
3.类模板
class Stack
{
public:
//构造函数
Stack(int capacity=4)
:_top(0)
,_capacity(capacity)
{
_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
}
//拷贝构造函数
Stack(const Stack& st)
:_top(st._top)
,_capacity(st._capacity)
{
_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._top);
}
//赋值运算符重载
Stack& operator=(const Stack& st)
{
if (this != &st)
{
free(_a);
_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._top);
_top = st._top;
_capacity = st._capacity;
}
return *this;
}
//析构函数
~Stack()
{
free(_a);
_a = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
private:
int* _a;
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
//这个栈指定了类型是int
Stack st1;
//如果我想要这个栈里面是double类型的怎么办？
Stack st2;
//可能会想到teyedef int STDatetyp
//teyedef double STDatetyp
//但是这个两个栈类型是不能同时存在的
//正确解决方法：类模板
return 0;
}
3.1类模板的格式
//类模板格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};
template<class T>
class Stack
{
public:
//构造函数
Stack(int capacity = 4)
:_top(0)
, _capacity(capacity)
{
_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
}
//拷贝构造函数
Stack(const Stack& st)
:_top(st._top)
, _capacity(st._capacity)
{
_a = (T*)malloc(sizeof(T) * st._capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
memcpy(_a, st._a, sizeof(T) * st._top);
}
//赋值运算符重载
Stack& operator=(const Stack& st)
{
if (this != &st)
{
free(_a);
_a = (T*)malloc(sizeof(T) * st._capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
memcpy(_a, st._a, sizeof(T) * st._top);
_top = st._top;
_capacity = st._capacity;
}
return *this;
}
//析构函数
~Stack()
{
free(_a);
_a = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
private:
T* _a;
int _top;
int _capacity;
};
3.2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。
这是因为类模板一般没有推演的时间，函数模板实参传递给形参的时候，推演模板参数，因此类模板需要显示实例化
int main()
{
Stack<int> st1;
Stack<double> st2;
//注意它们是同一类模板实例化出来的，但是模板参数不同，因此属于不同类型，不能赋值
//st1 = st2;
}
自此模板初阶到此结束，后面我们在总结模板进阶，喜欢的点赞，评论，收藏吧！
