C++之模板——初阶

目录

一. 泛型编程

二. 函数模板

1. 函数模板概念

2. 函数模板格式

4. 函数模板的实例化

5. 模板参数的匹配原则

三. 类模板

1. 类模板的定义格式

2. 类模板的实例化

四. 模板分离编译

1. 什么是分离编译

2. 模板的分离编译

3. 解决方法

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一. 泛型编程

以实现一个交换函数为例，当我们要实现一个可以交换各种类型的交换的函数，我们一般会像以下代码一样：

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;
}
......

但是使用函数重载仍然有它的缺点：

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

所以这个时候就出现了泛型编程。

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。

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。

2. 函数模板格式

template
返回值类型 函数名(参数列表){}

//一个模板参数
template
void Swap(T& left,  T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

//多个模板参数
template
K add(const K& left, const V& right)
{
    return left + right;
}

//模板也可以有缺省参数，不过缺省的是类型，和函数参数的意思是一样的
template
void add()
{
    cout << sizeof(K) << endl;
    cout << sizeof(V) << endl;
    cout << sizeof(H) << endl;
}

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)

3. 函数模板原理

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int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int类型，然后产生一份专门处理int类型的代码，对于字符类型也是如此。

所以，这里我们可以知道，其实三个swap函数其实是调用了三个函数，并不是调用了一个函数。

需要注意的是：函数模板类型虽然一般是编译器根据实参传递给形参，推演出来的，但是，如果不能自动推演，那么我们就需要显示实例化，指定模板参数，如下情况：

这里编译器就无法推导出T，需要我们自己去指定模板参数，如下：

我们就会发现，编译通过了，所以并不是说函数模板一定就是使用隐式实例化，特定场景也需要使用显示实例化。

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。

注：实例化是在编译阶段进行的（可以查看编译完成的.s文件）。

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);
       
       /*
        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;
   }

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(void)
   {
       int a = 10;
       double b = 20.0;
       
       // 显式实例化
       Add(a, b);
       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。

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

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;
     }
     
     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
     }

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

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
};
//类模板参数和函数模板参数是一个意思

具体使用场景：

//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 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 
Vector::~Vector()
{
    if(_pData)
         delete[] _pData;
    _size = _capacity = 0;
}

2. 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，必须显示实例化，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 s1;
Vector s2;

这里和函数模板同理，其实是两个类型，并不是一个类型。

四. 模板分离编译

1. 什么是分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有 目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。

2. 模板的分离编译

（1）需要注意函数模板和类模板的分离后的声明和定义方式：

函数模板声明：

template
void Swap(T& left, T& right);

函数模板的定义：

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

类模板声明：

template
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10);
	void PushBack(const T& x);
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

类模板的定义：

template
Vector::Vector(size_t capacity)
	: _pData(new T[capacity])
	, _size(0)
	, _capacity(capacity)
{}

template
void Vector::PushBack(const T& x)
{
	// ...
}

（2）分离编译其实也是会出现问题的：

以模板函数为例：

假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}

// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    return 0;
}

当按上面的步骤进行编译运行便会出现以下问题：

直接出现链接错误，什么情况？

根据C/C++程序运行之前需要经历以下步骤：

预处理--->编译--->汇编--->链接

链接的任务是将多个.o文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题，即合并符号表。也就是说这里出现链接错误其实是符号表合并失败了，为什么？

template.h在template.cpp被包含了，预编译阶段会进行展开，也就是说，template.cpp在编译阶段时需要编译template.cpp并生成符号表，但是，由于template.cpp中，编译器并没有看到对Add模板函数的实例化，因此不会生成具体的Add函数，因此没有函数地址，template.cpp中符号表就是空的了。

template.h在test.cpp中被包含了，预编译阶段会进行展开，也就是说，test.cpp在编译阶段需要编译test.cpp并生成符号表，在test.o中调用了Add和Add，编译器在链接阶段会去找该函数的地址，但是这两个函数由于在template.cpp时没有实例化，就没有生成函数地址，template.cpp中的符号表里就没有这两个函数的地址，而test.cpp的符号表和template.cpp符号表合并时找不到该函数地址，就报链接时错误。

事实上，类模板也是这类问题，以下是类模板的情况：

3. 解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

如下分别是第一种和第二种解决函数模板的执行结果：

以下分别是第一种和第二种解决类模板问题的执行结果：

我们会发现：虽然第二种可以，但是很麻烦，每实例化一个需要自己在template.cpp中显示实例化，太麻烦了，因此采用第一种方法是最佳的处理方法。

由此，得出一个结论：

模板不支持声明和定义分离到xxx.h和xxx.cpp中，一般放一个文件中。为了方便辨别有些地方会命名成xxx.hpp。