【C++】模板初阶 -- 详解

一、泛型编程

// 实现一个通用的交换函数：
void Swap(int& left, int& right)
{
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

void Swap(double& left, double& right)
{
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

void Swap(char& left, char& right)
{
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个不好的地方：

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。

在 C++ 中，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），这会给我们节省很多时间。

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、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。

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2、函数模板格式

template

返回值类型 函数名(参数列表){}

template // T代表一个模板类型（虚拟类型）

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关键字，也可以使用class（切记：不能使用 struct 代替 class）。

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3、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。

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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。

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

   template
   T Add(const T& left, const T& right)
   {
       return left + right;
   }
   
   int main()
   {
       int a1 = 10, a2 = 20;
       double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
       Add(a1, a2);
       Add(d1, d2);
    
       Add(a1, d1); // 无法通过编译
       
       // 1、处理方式：用户自己来强制转化
       Add(a, (int)d);
       return 0;
   }

   无法通过编译原因：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 a1 将 T 推演为 int，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，编译器无法确定此处到底该将 T 确定为 int 或者 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，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。

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;
    
       // 2、处理方式：显式实例化
       Add(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，如果无法转换成功编译器将会报错。

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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。

   // 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
   T Add(T left, T right)
   {
       return left + right;
   }
   
   int Test()
   {
       cout << Add(1, 2) << endl; // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
       cout << Add(1.1, 2.2) << endl;; // 调用编译器特化的Add版本
   
       return 0;
   }

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。

   // 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
   T1 Add(T1 left, T2 right)
   {
       return left + right;
   }
   
   int Test()
   {
       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
   
       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。

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三、类模板

1、类模板的定义格式

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

typedef int STDataType;
class Stack
{
private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack st1; //int
	Stack st2; //double
	return 0;
}

这里想让 st1 是 int，st2 是 double，显然无法做到。C 语言中的 typedef 只是增强程序的可维护性，不能解决泛型的问题。

template
class Vector
{ 
public :
    Stack(size_t capacity = 0)
    {
        if (capacity > 0)
		{
			_a = new T[capacity];
			_capacity = capacity;
			_top = 0;
		}
	}
 
    ~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_capacity = _top = 0;
	}

    void Push(const T& x); // 在类里面声明，类外面定义

    void Pop()
	{
		assert(_top > 0);
		--_top;
	}

	bool Empty()
	{
		return _top == 0;
	}

	const T& Top()
	{
		assert(_top > 0);
		return _a[_top - 1];
	}
private:
	T* _a = nullptr;
	size_t _top = 0;
	size_t _capacity = 0;
};

// 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
void Stack::Push(const T& x)
{
	if (_top == _capacity)
	{
		size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2; // 开新空间						
		T* tmp = new T[newCapacity];
		if (_a)
		{
			memcpy(tmp, _a, sizeof(T)*_top); // 拷贝数据
			delete[] _a; // 释放旧空间
		}
		_a = tmp;
		_capacity = newCapacity;
	}
	_a[_top] = x;
	++_top;
}

注意：函数 / 类模板不支持分离编译，比如：声明放在 .h ，定义放在 .cpp。 在 .h 里实例化了，Stack.cpp 里没有实例化，而 test.cpp 去找的时候，只有声明，没有定义，会报链接错误。如果声明和定义分离，需要将模板写在同一个文件里。

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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。

Vector s1;
Vector s2;
// 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

Vector 是类名，Vector 才是类型。