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【C++】C++泛型编程 | 模板初阶

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文章目录

☑️前言
‍泛型编程
‍函数模板
- 1. 函数模板概念
- 2. 函数模板格式
- 3. 函数模板原理
- 4. 函数模板的实例化
- 5. 模板参数的匹配原则
‍类模板
- 1. 类模板的定义格式
- 2. 类模板的实例化
☑️写在最后

☑️前言

本章给大家带来的是C++泛型编程—模板。 C++是C语言的扩展，注重面向对象编程及泛型编程。泛型编程是一种基于参数化的编程方式，简单来说就是编写具有通用性，可以适用于不同类型数据的代码。模板就是C++中实现泛型编程的一种重要手段。
C++中的模板允许程序员编写一套泛型代码，可以适用于不同的数据类型，因此称之为“模板”。模板可以分为函数模板和类模板两种形式。函数模板可以让程序员编写一个通用的函数（函数的参数或返回值是泛型类型），可以适用于各种不同的数据类型。类模板可以让程序员定义一个通用的类（类的数据成员或成员函数是泛型类型），可以适用于各种不同的数据类型。
使用模板可以让程序员编写简洁、清晰、高效的代码，避免了因为重复的代码而产生的维护和修改的麻烦，提高了代码的复用性和可读性。因此，C++中的模板是一种非常有用的编程工具，在现代C++编程中被广泛应用。
所以，模板是很重要的噢~

接下来就开始本章知识的学习吧！

‍泛型编程

泛型编程是一种编程范式，它的核心思想是将程序中的数据类型抽象化，从而实现可以适用于多种数据类型的代码重用。

这里我们用这样一个简单的题目来引出对泛型的认识：

如何实现一个通用的交换函数呢？

如下：

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;
}
......

可以看到，上面的几个函数构成了重载，的确可以实现通用的交换，但是，上面这样写有几个不好的地方：

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。
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？

就比如下面这样：

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。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

【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。而模板又分为函数模板和类模板。

‍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。

函数模板是一种通用的函数定义，可以用来创建多个功能类似但参数类型不同的函数实例。在函数模板中，函数的参数类型和返回值类型不需要指定具体的类型，而是使用一个或多个类型参数来表示。

2. 函数模板格式

函数模板的格式如下：

template<typename T>
返回类型 函数名(参数列表){
    // 函数体
}

其中，template 表示定义了一个模板，表示定义了一个名为 T 的类型参数，可以在函数体中使用这个类型参数来声明变量类型等。返回类型 表示这个函数的返回值类型，函数名 表示函数的名称，参数列表 表示函数的参数列表。

举个例子，下面是一个简单的函数模板：

template<typename T>
T max(T a, T b){
    return a > b ? a : b;
}

这个函数模板可以比较两个同类型的变量，返回其中的较大值。使用时，可以将不同类型的变量传递给这个函数模板，因为在调用时编译器会根据实际参数的类型实例化出相应的函数版本。

当然，函数模板的格式也可以这样写：

template<class T>
返回类型 函数名(参数列表){
    // 函数体
}

可以用class代替typename，效果是一样的~

3. 函数模板原理

【原理】：C++ 编译器会根据函数模板在编译期间生成多个函数版本，这些函数版本分别对应不同的传入类型，也就是说，函数模板本质上是代码生成的一种方式，它会根据模板参数类型动态生成不同的函数定义。

⭐例如，给定一个函数模板:

template<typename T>
T max(T a, T b){
    return a > b ? a : b;
}

当编译器看到这个模板的时候，它并不会立即生成一个函数定义，而是把这个模板存储在编译器的内部，直到遇到一个函数调用时，编译器才实例化这个模板，生成一个具体的函数定义。例如，当我们调用 max(3, 5) 时，编译器会实例化一个 max(int a, int b) 函数，把 a 和 b 的类型都指定为 int，然后再把这个函数定义插入到程序中。同样的，当我们调用 max(3.5, 1.2) 时，编译器会实例化一个 max(double a, double b) 函数，把 a 和 b 的类型都指定为 double，然后再把这个函数定义插入到程序中。这是函数模板的运行机制。

这个机制也说明了函数模板是一个蓝图，重点在于它本身并不是函数，而是编译器用使用方式产生特定具体类型的函数的模具。所以模板其实就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。因此马云的那句话说的没错：世界是懒人创造的。

⭐再给定一个函数模板:

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

其推演函数实例的图解如下：

这样看，是不是对模板的理解更为深刻了呢~

4. 函数模板的实例化

函数模板的实例化是指编译器根据函数模板和实际参数类型生成一个具体的函数的过程。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~

例如：

template<class T>
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);
 
 	/*
 	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
 	Add(a1, d1);
 	*/
 
 	// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
 	Add(a, (int)d);
 	
  	return 0;
}

⭐显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

例如：

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
 	return left + right;
}

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，如果无法转换成功编译器将会报错。

5. 模板参数的匹配原则

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。

例如：

// 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;
}
void Test()
{
 	Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
 	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

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。

例如：

// 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;
}

void 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
}

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

1. 类模板的定义格式

类模板和函数模板的定义格式有些类似，但是在关键字和参数的使用上有一些区别。类模板的定义格式如下：

template <typename T>
class 类名 {
    // 成员变量和成员函数的定义
}

其中，typename关键字也可以替换为class关键字，表示声明一个模板类型参数。T是一个占位符，表示在使用类模板时需要传入的实际类型参数。在类模板中可以使用T作为成员变量的类型和成员函数的参数类型。

需要注意的是，在定义类模板时，只是声明了一个模板类，还没有实际创建一个可以使用的类。当需要使用模板类时，需要进行实例化操作。也就是根据需要传入的类型参数，生成特定的类。

2. 类模板的实例化

类模板的实例化是指根据传入的模板实参，生成特定的类的过程。实例化类模板的方法有两种：隐式实例化和显式实例化。

⭐【隐式实例化】是指在使用模板类时，自动推导模板实参的过程。例如下面的代码：

template <typename T>
class MyClass {
    // ...
};

MyClass<int> obj; // 隐式实例化

在实例化过程中，将类模板中的T替换为int，形成特定的类型MyClass。

⭐【显式实例化】是指手动进行实例化操作。需要在类模板声明的外部显式地声明一个实例化的类。例如下面的代码：

template <typename T>
class MyClass {
    // ...
};

template class MyClass<int>; // 显式实例化