C++的泛型编程—模板

目录

一.什么是泛型编程？

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二.函数模板

函数模板的实例化

当不同类型形参传参时的处理

使用多个模板参数

三.模板参数的匹配原则

四.类模板

1.定义对象时要显式实例化

2.类模板不支持声明与定义分离

3.非类型模板参数

4.模板的特化

函数模板特化

类模板特化

类模板特化应用示例

模板的优缺点：

---

一.什么是泛型编程？

当我们写一个交换两个数的函数：

void swap(int& x, int& y)
{
	int temp = x;
	x = y;
	y = temp;
}

我们知道，这个函数只能交换两个整形变量的值，在C++中虽然实现了函数重载,但是如果我们想要实现交换两个浮点数的值，仍要重新写一个函数，但是函数的内容几乎和交换整形的内容几乎一样，这就显得代码有些重复，同时又增加了程序员的工作量且不方便维护代码。

那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？

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）。 这里大佬们早已想到，在C++使用泛型编程来做。

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。

模板分为：函数模板与类模板

二.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。

函数模板格式：

template
返回值类型 函数名(参数列表){}

注：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)

例子：

#include
using namespace std;

template
void Swap(T& x, T& y)
{
	int temp = x;
	x = y;
	y = temp;
}


int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double e = 1.1, f = 2.2;
	Swap(a, b);
	Swap(e, f);
	cout << a << "  " << b << endl;
	cout << e << "  " << f << endl;
	return 0;
}

注：main()函数里的两个Swap函数，调用的不是同一个函数，也不是模板，而是编译器用模板生成的实例化Swap函数，在上述代码中，模板会生成int和double两种实例化函数。

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

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);
 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()
{
 int a = 10;
 double b = 20.0;
 
 // 显式实例化
 Add(a, b);
 return 0;
}

当不同类型形参传参时的处理

int main()
{
    int a=1,b=2;
    double c=1.1,d=2.2;

   
/*
 Add(a,c);
 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
 */
 
 // 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)c);//用户自己来强制转化
    Add(a,c);//使用显式实例化
    

    return 0;
}

方式一：在编译器推演前就将c强转成int

方式二：明确告诉编译器类型是int，经此编译器直接将c作为int处理

使用多个模板参数

T1 Add(const T1 a, const T1 b)
{
	return a + b;
 }

int main()
{
	int a = 1, b2;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	Add(a, c);  //多个模板参数，编译器推演为Add(a,c)
	return 0;
}

三.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); // 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
}

四.类模板

定义格式：

template
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};

例子：

template
class Stack
{
public:
	Stack()
		:_data(nullptr)
		,_size(0)
		,_capacity(0)
	{}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[]_data;
		_data = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}

	void push(T x)
	{
		//入栈
	}

private:
	T* _data;
	int _size;
	int _capacity;

};

1.定义对象时要显式实例化

int main()
{
	Stack s;
	s.push(1);
	Stack x;
	x.push(1.1);
	return 0;
}

我们知道使用模板定义时，需要通过参数确定类型进行显示实例化，显而易见的时，类模板无法向函数模板一样通过传参来确定类型。因此必须要在定义对象时，显示实例化类型。

类模板显式实例化的类型不同，他们就是不同的类。如上面的s与x就属于不同的类定义出的两个对象。所以不能又s=x这样的操作，除非你在s类中对=进行运算符重载。

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;

2.类模板不支持声明与定义分离

template
class Stack
{
public:
	Stack();
	~Stack();
	void push(const T& ch);


private:
	T* _data;
	int _size;
	int _capacity;
};

template
Stack::Stack()
{
	//构造函数初始化
}

template
Stack::~Stack()
{
	//析构
}

template
void Stack::push(const T& ch)
{
	//入栈
}

类模板的成员函数不支持声明与定义分离。因为类模板和函数模板都不是真正的定义，真正的定义是在实例化之后由编译器完成。如果声明与定义分离，编译器会由于没有推演出参数，使定义部分并不会编译，而main函数里由于有声明会编译，最后导致在汇编时，找不到函数的定义报错。

解决放法：

1.在模板定义的位置显式实例化

template
class Stack;//显式实例化

2.声明与定义不分离，全部放在一个.hpp文件（相当于.h+.cpp。一般里面大概率会有模板）或.h文件里。

3.非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参 。

类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 之类的参数类型名称 。

非类型形参，就是用一个常量作为类 ( 函数 ) 模板的一个参数，在类 ( 函数 ) 模板中可将该参数当成常量来使用 。

如：当你想在一个类中定义一个静态数组的成员变量，在C语言中只能使用宏定义的方式确定数组的大小，但是这样数组的大小是固定的。

C++中可以在模板使用非类型模板参数，在类里生成一个可以指定大小的成员变量。

template
class arr
{
private:
	T a[n];
};

int main()
{
    arr a1;
    arr a2;
    return 0;
}

注：非类型模板参数，只支持 整形，常量。浮点型，变量，类对象都不行。

4.模板的特化

概念：

通常情况下， 使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结 果 ，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

举例：

// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;
}
int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
 return 0;
}

可以看到， Less 绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中， p1 指向的d1 显然小于 p2 指向的 d2 对象，但是 Less 内部并没有比较 p1 和 p2 指向的对象内容，而比较的是 p1 和 p2 指 针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就 需要对模板进行特化。即： 在原模板类的基础上 ，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。 模板特化中分为函数模板特化 与 类模板特化

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板

2. 关键字 template 后面接一对空的尖括号 <>

3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型

4. 函数形参表 :  必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}
int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl;
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl;
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
 return 0;
}

注：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给 出。

bool Less(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给 出，因此函数模板不建议特化。

类模板特化

类模板特化与函数模板特化一样：必须存在模板.(即在原模板的基础上进行特化)

类模板特化分为：全特化，偏特化

全特化：

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化

template
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data" <
class Data //特化为int char
{
public:
 Data() {cout<<"Data" < d1;
 Data d2;
}

偏特化：

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于以下模板类：

template
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data" <

偏特化有以下两种表现方式：

部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化

// 将第二个参数特化为int
template 
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data" <

参数更进一步的限制 ：

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版 本。

//两个参数偏特化为指针类型
template 
class Data 
{ 
public:
 Data() {cout<<"Data" <
class Data 
{ 
public:
 Data()
    :_d1(d1)
    ,_d2(d2)
 {
    cout<<"Data" < d1; // 调用特化的int版本
 Data d2; // 调用基础的模板 
 Data d3; // 调用特化的指针版本
 Data d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

注：当模板，模板的特护全都存在是，那个类型最匹配，就用那个。

类模板特化应用示例

专门用来按照小于比较的类模板Less：

#include
#include 
template
struct Less
{
     bool operator()(const T& x, const T& y) const
     {
         return x < y;
     }
};

int main()
{
     Date d1(2022, 7, 7);
     Date d2(2022, 7, 6);
     Date d3(2022, 7, 8);
     vector v1;
     v1.push_back(d1);
     v1.push_back(d2);
     v1.push_back(d3);
     // 可以直接排序，结果是日期升序
     sort(v1.begin(), v1.end(), Less());
     vector v2;
     v2.push_back(&d1);
     v2.push_back(&d2);
     v2.push_back(&d3);
 
 // 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
 // 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
 // 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
     sort(v2.begin(), v2.end(), Less());
     return 0;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指 针，结果就不一定正确。因为：sort 最终按照 Less 模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指 向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less
{
     bool operator()(Date* x, Date* y) const
     {
         return *x < *y;
     }
};

特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

模板的优缺点：

【优点】

1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发， C++ 的标准模板库 (STL) 因此而产生

2. 增强了代码的灵活性

【缺陷】

1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误