C++STL模板学习

在前面的学习中了解到C++是支持函数重载的，我们可以给同一作用的函数起同一个函数名，只是彼此之间参数的类型不能相同。先简单看一个变量交换的代码

//整形变量的交换
void Swap(int& a, int& b)
{
	int c = a;
	a = b;
	b = c;
}
//浮点类型变量的交换
void Swap(double& a, double& b)
{
	double c = a;
	a = b;
	b = c;
}

这样看起来好像还可以，但是我们知道数据的类型还有多种，像char，short，long…，要是我们给每一种类型都写一个专门的交换函数，那么仅仅是为了交换一个数据，就写那么多代码，显得有点多余了。那么C++在这里有什么优化呢？

函数模板

既然那些可重载的函数彼此之间只是变量的类型不同，其他的操作都相同，那就可以给他定义一个模板，然后每次只需要类似“typedef”的操作，给函数的参数类型换一个名字，在模板中用这个名字来代替这个类型的操作，就显得方便很多。

模板的格式

template<typename T1,typename T2....,typename Tn>

//替换后的交换函数
void Swap(T& a, T& b)
{
	T c = a;
	a = b;
	b = c;
}

typename是用来定义模板的关键字，也可以用class来表示自定义的类，但是不能用struct来代替。

模板的原理

为什么要有模板呢？

模板那么好用，那么关于模板的底层是怎么实现的呢？
可以把模板想象成一个模子，对于这个模子的模具，每个模具都有自己的名字，T1，T2.，…，Tn。在每次调用的时候，他只需要先获取模具对应的类型，然后依据对应的类型去推演真正操作的函数代码。
个人感觉这里的模具在获取对应类型的时候，就相当于我们的typedef，然后给这个类型起一个别名，然后使用这个函数。。。

模板的实例化

当我们使用不同类型的参数使用模板的时候，这个过程就是模板的实例化。
模板参数的实例化可以分为隐式实例化和显示实例化。

• 隐式实例化
  隐式实例化就相当于我们不告诉编译器对应变量的类型，让编译器在编译操作的时候自己去推演对应的函数，常用的有swap模板，min模板，max模板…

在使用隐式实例化的时候，如果变量的类型是相同的，编译器是可以通过，那要是不同的呢？

我们发现编译器会报错，显示模板的第二个参数的类型不明确。既然这样，我们就来两个模具看看效果

这样写的话好像显得代码比较乱，还会多出一个警告，浮点数类型转为整形类型会出现数据的丢失，为了解决这个警告，可以给他来一个强制类型转换。

发现这里好像又出错了。。。报错是两个参数是(int , int)，不能转为(int&,int&)。这是怎么回事，问题只能出在 (int)d，这里了。
为了排查错误，首先我先给模板的参数去掉引用类型，发现这个时候编译器的报错都取消了，那么问题一定是引用了。
如果在使用引用类型的时候，如果引用前后类型不匹配，就需要进行强制类型转换的问题。因为强制类型转换的过程会在内存中新开辟一段空间，来储存转换后的数据，这时这个数据是一个临时变量，他只能在转换的过程生效，所以说它具有常性，也就是只读性。而我们调用引用类型后，引用的类型具有可读可写的特性，就相当于把权限放大了，我们知道，权限是只能缩小，不能放大的。这就出现了权限的错误，解决这个问题可以给第二个参数加一个const 类型，表面他是只读的，但是这样就不能满足交换函数的本意了。

也可以这样理解，引用相当于给一个变量起了一个别名，再来看看我们传的这个变量是一个double类型的，本名是d，但是我们强制类型转换后的那个数据又是什么名字呢？他没有名字。。。
解决这个问题，可以在调用swap函数之前，就给double类型的变量强制转换后的临时变量一个名字，让他变成可读可写的，然后就可以调用了。好恶心

通过调用C++中的swap交换函数，我们发现其实C++也没有解决不同类型交换的问题，这个锅我不背

• 显示实例化
  在做过一些C++使用栈和队列的题的时候，就会发现，有这样的一种定义方式stack< int > st，queue< int > qu…这就是显示实例化。

显示实例化就是在函数名后的<>中指定模板参数的实际数据类型，如果指定类型和参数类型不匹配，编译器会常识隐式类型转换，如果不能转换成功编译器就会报错。

模板匹配的原则

嘿嘿，要是我们在定义了一个模板的情况下，还自己定义了一个重载的函数，那么编译器会执行哪一个呢？

我们发现编译器并没有用模板推演出函数来执行，只是调用我们写的重载函数。

1. 模板函数支持重载类型的，并且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数
   
   当我们对这个模板函数进行实例化后，发现他会调用模板函数来生成的函数。
2. 对于有和模板重载的函数，如果其他条件都相同，编译器在调用的时候不会调用这个模板推演出来的函数，而是调用现成的函数。
   如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，就会选择调用模板推演的函数
3. 模板不允许自动类型转换，但是普通函数可以进行自动类型转换。

类模板

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
};

类模板的实例化

类模板实力话相比普通函数来说，他是在类模板名字的后面加<>，然后把实例化的类型放在<>中，类模板的名字并不是真正的类，他实例化的结果才是真正的类。

// stack类名，stack才是类型
stack<int> s1;
stack<double> s2;

STL的六大组件

STL中有空间配置器，容器，配接器，仿函数，算法，以及迭代器几种组件

非类型模板参数

模板参数分为类型形参和非类型形参

• 类型形参：出现在模板参数的列表中，跟在class或者typename后面的参数类型名称
• 非类型参数：用一个常量作为类模板的一个参数，在类中可以把这个参数当做一个常量来使用

没有模板，我们可以这样写一个模板类型的静态数组，但是数组的大小N，却只能是一个固定的数字，不能改变

const int N = 10;

template<class T>
class arr
{
public:
	arr()
		:_size(0)
	{}

private:
	T _arr[N];
	size_t _size;
};

int main()
{
	arr<int> a;//创造一个10个大小数组
}

利用模板的参数，我们可以这样来

template<class T, size_t N = 10>
class arr
{
public:
	arr()
		:_size(0)
	{}

private:
	T _arr[N];
	size_t _size;
};

int main()
{
	arr<int,10> a;//创造一个10个大小数组
	arr<int, 100> b;//一个100大小的数组
}

注意：

1. 浮点数，类对象以及字符串是不可以作为非类型模板参数的
2. 非类型模板参数必须在编译期间就可以确认结果

类模板的特化

特化就是针对模板在使用过程中的特殊情况，给这个案例一个特别处理。

对于这样的一个比较两个数大小的模板

template<class T1,class T2>
class cmp
{
public:
	cmp(T1 a,T2 b)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{}
	//比较两个参数的大小
	void Compare()
	{
		if (_a < _b)
			cout << "_a < _b" << endl;
		else if (_a == _b)
			cout << "_a == _b" << endl;
		else if (_a > _b)
			cout << "_a > _b" << endl;
	}
private:
	T1 _a;
	T2 _b;
};

全特化

全特化就是在特化的时候，把模板的参数全部确定化

显然，对于前面的比较函数，当两个变量的类型是字符串char*的时候，直接比较大小就会出错的，我们就需要全特化一下

template<>
class cmp < char*, char* >
{
public:
	//涉及到指针，得要深拷贝
	cmp(char* a, char* b)
	{
		char* ta = new char[strlen(a) + 1];
		char* tb = new char[strlen(b) + 1];
		strcpy(ta, a);
		strcpy(tb, b);
		_a = ta;
		_b = tb;
	}
	~cmp()
	{
		delete[] _b;
		delete[] _a;
		_a = _b = nullptr;
	}
	//比较两个参数的大小
	void Compare()
	{
		int ans = strcmp(_a, _b);
		if (ans < 0)
			cout << "_a < _b" << endl;
		else if (ans == 0)
			cout << "_a == _b" << endl;
		else if (ans > 0)
			cout << "_a > _b" << endl;
	}
private:
	char* _a;
	char* _b;
};

类似于这样的，用strcmp来对字符串类型进行比较，然后返回结果

偏特化

任何针对模板参数进一步进行条件限制的特化版本。也就是值限制一部分

• 部分特化

将模板参数类表中的一部分参数进行特化

template<class T1>
class cmp<T1,int>
{
public:
	cmp(T1 a, int b)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{}
	//比较两个参数的大小
	void Compare()
	{
		if (_a < _b)
			cout << "_a < _b" << endl;
		else if (_a == _b)
			cout << "_a == _b" << endl;
		else if (_a > _b)
			cout << "_a > _b" << endl;
	}
private:
	T1 _a;
	int _b;
};

• 参数进一步限制

针对模板参数进行更进一步的条件限制，从而设计出来的模板

指针类型的特化模板。这里没有写

template<class T1,class T2>
class cmp <T1*, T2*>
{
public:
	//涉及到指针，得要深拷贝
	cmp(T1* a, T2* b)
	{
		_a = a;
		_b = b;
	}
private:
	T1* _a;
	T1* _b;
};

引用类型的特化模板

template<class T1, class T2>
class cmp < T1&, T2& >
{
public:
	//涉及到指针，得要深拷贝
	cmp(T1& a, T2& b)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{}
private:
	T1& _a;
	T1& _b;
};

模板分离编译

对于一个模板，我们把模板的声明放在.hpp文件中，把模板的定义放在.cpp文件中，最后在主函数中调用模板的功能函数，这样写可以吗？

//aa.hpp
#include 
#include 
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
template<class T>
T Add(const T& a, const T& b);

//aa.cpp
template<class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
	return a + b;
}

//text.cpp
#include "aa.hpp"
int main()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;
	return 0;
}

在编译的时候会出现这样的错误

程序是在一个.obj文件中出错了，回想一下编译器编译程序的几个过程

1. 预处理(进行宏替换)阶段
     预处理功能主要包括宏定义,文件包含,条件编译,去注释等。就是将以#开始的头文件展开，define和typedef 宏定义的名称进行替换，去掉注释，生成一个.i文件

2. 编译（生成汇编）
     在这个阶段中，编译器首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等,以确定代码的实际要做的工作,在检查无误后,编译器把代码翻译成汇编语言。生成一个.s文件

3. 汇编（生成机器可识别代码）
     汇编阶段是把编译阶段生成的.s文件转成目标文件。生成.obj文件

4. 链接（生成可执行文件或库文件）
     在成功编译之后,就进入了链接阶段，生成可以执行的.exe文件

• 在aa.obj文件中，编译器没有看到对Add模板函数实例化的过程，因此就不会生成具体的调用的函数。因为模板的作用只是在调用的时候才会根据类型推演具体的函数。
• 在text.obj中，编译器发现了函数调用的过程，就使用call指令去找调用的函数，但是因为在aa.obj中并没有生成这个实例化后的函数，因此链接的时候会报错

具体流程类似于这样

为了解决这一问题，我们需要把模板的声明和定义放在同一个XXX.hpp文件下。因为预处理的过程会进行头文件展开工作，然后在汇编中主函数调用哪个函数，就转换哪个函数。