C++泛型编程之函数模板和类模板

1.泛型编程

在实际编程中，实现一个交换函数或者有加减乘除功能的函数，往往只是涉及到单个类型的交换或运算，当然使用函数重载固然可以实现，但是存在以下几个不好的地方：

1. 重载的的函数仅仅是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就必须增加对应的函数。
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均会出错。

泛型编程：编写与类型无关的函数，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

typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class(切记不能使用struct代替class)。

//单个参数
template<class T>
template<typename T>
//多个参数
template<class T1,class T2,………class Tn>
template<typename T1,typenameT2…………typename Tn>
template<>class T1,typename T2>

代码示例：

//与类型无关的加法函数
template<typename T>
T Add(T left,T right)
{
	cout << typeid(T).name() << endl;//打印T的类型
	return left+right;
}
int main()
{
	Add(1,2);
	Add(2.0,6.5);
	Add('a','c');
	return 0;
}
//运行结果
int
3
double
8.5
char

2.3函数模板的原理

函数模板本身并不是一个函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的摸具。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。

如图所示，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、整型也是如此。

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参数的实际类型

代码示例：

template<typename T>
T Add(T left,T right)
{
	cout << typeid(T).name() << endl;//打印T的类型
	return left+right;
}
int main()
{
    //参数类型一致
	Add(1,2);
	Add(2.0,6.5);
	Add('a','c');

	//参数类型不一致
	cout << Add(4, 4.5) << end;
	/*
	此时编译器会报错，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 4 推演为int类型，通过实参 4.5 推演为double类型。
	由于模板参数列表只有一个T，所以无法确定将T确定为int还是double
	*/
	//此时有两种处理方式 1.用户自己强制转换 2.使用显示实例化
	//强制转化类型
	cout << Add((double)4, 4.5) << end;
	cout << Add(4, (int)4.5) << end;
	return 0;
}

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。

显示实例化：在函数名后<>中指定模板参数实际类型

代码示例：

int main()
{
	//显示实例化
	//明确指定模板函数参数列表的实际类型，如果发现类型不一样，则进行隐式转换
	//转换成功则编译通过，失败则报错
	Add<int>(4,5.6);
	Add<double>(4.5,5);	
	return 0;
}
//运行结果：
int
9
double
9.5

2.5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。
   代码示例：

// 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); // 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
 	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，在调用时会优先调用非模板函数。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。
   代码示例：

// 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>
//这里注意返回值
T1 Add(T1 left, T2 right) 
{
	cout << typeid(T).name() << endl;//打印T的类型
 	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
 	 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。

3.类模板

3.1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
};

以动态顺序表为例，代码示例：

template <class T>
class SeqList
{
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;//容量
	size_t _size;//有效元素个数
public:
	SeqList(size_t capacity = 10)
		:_array(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	//涉及到动态内存管理，必须显示定义析构函数
	//定义在类内
	~SeqList()
	{
		if (_array)
		{
			delete[] _array;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}
	T& operator[](size_t index)
	{
		assert(index < _capacity);
		return _array[index];
	}
	//使用尾插函数演示：类内声明，类外定义
	void Push_back(const T& data);
	//判空
	bool empty()const
	{
		return 0 == _size;
	}
	//尾删
	void PopBack()
	{
		if (empty()) 
		{
			return;
		}
		_size--;
	}
	//获取有效元素个数
	size_t Size()
	{
		return _size;
	}
	//获取当前容量
	size_t capacity()
	{
		return _capacity;
	}
	//打印顺序表
	void display()
	{
		if (empty())
		{
			return;
		}
		for (int i = 0; i < _size; i++)
		{
			cout << _array[i]<<" ";
		}
		cout << endl;
	}
};
//类外定义成员函数，需要加上模板参数列表
template<class T>
void SeqList<T>::Push_back(const T& data)
{
	_array[_size++] = data;
}

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。
代码示例：

int main()
{
	//用上面的类模板实例化
	//SeqList是类名，SeqList才是类型
	SeqList<int> list1;
	list1.Push_back(1);
	list1.Push_back(2);
	list1.Push_back(3);
	list1.Push_back(4);
	list1.display();
	cout << list1.Size() << endl;
	cout << list1.capacity() << endl;
	list1.PopBack();
	list1.PopBack();
	cout << list1.Size() << endl;
	cout << list1.capacity() << endl;

	SeqList<double> list2;
	list2.Push_back(1.5);
	list2.Push_back(2.4);
	list2.Push_back(3.2);
	list2.Push_back(4.6);
	list2.display();

	SeqList<char> list3;
	list3.Push_back('H');
	list3.Push_back('e');
	list3.Push_back('l');
	list3.Push_back('l');
	list3.Push_back('o');
	list3.display();
	return 0;
}
运行结果：
1 2 3 4 //list1
4
10
2
10
1.5 2.4 3.2 4.6 //list2
H e l l o //list3