【C++】模板（template）初阶

一、认识模板

1.1 泛型编程

C语言不支持泛型编程，C++支持泛型编程。

比如：如何实现一个通用的交换函数呢？

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;
}

// ...

使用函数重载可以实现，但是有几个不好的地方：

1. 重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数。
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。

而且上述函数它们的逻辑相似，唯一不同的就是待交换元素的类型。

思考：能否告诉编译器一个模具，让编译器根据不同的类型利用该模具来生成对应的代码呢？

在C++中，这个模具就是模板（template），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(生成具体类型的代码）。

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。

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1.2 函数模板

1.2.1 概念

函数模板（function template）不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实参类型决定其功能。

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1.2.2 函数模板的格式

template<typename T1, typename T2, ......, typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表)
{
	函数体
}

注意：

• 其中 template 和 typename 都是关键字
• typename 是用来定义模板参数关键字，可以用 class 关键字代替，在这里 typename 和 class 没有区别

示例：通用类型的交换函数模板

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right) // T是一个类型，具体是什么类型呢？实例化了才知道
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

int main()
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	Swap(a1, a2); // 1

	char c1 = '1', c2 = '2';
	Swap(c1, c2); // 2

	return 0;
}

思考：1 和 2 调用的是上面的同一个函数模板吗？-- 不是

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1.2.3 函数模板的原理

函数模板并不是一个实在的函数，而是一个对函数功能框架的描述，是编译器根据实参类型产生具体类型函数的模具。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，提高了编程效率。

比如：

编译阶段经历如下过程：

• 先进行模板推演，推演 T 的具体类型是什么

• 推演出 T 的具体类型后，再实例化生成具体的函数

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：当传入 int 类型实参来使用函数模板时，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。

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1.2.4 函数模板的实例化

用不同类型的实参使用函数模板时，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模板参数的实际类型。
• 显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型。

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

int main()
{
	int a = 10;
	double d = 10.0;

    /*
	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a将T推演为int，通过实参d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。
	*/
	// cout << Add(a, d) << endl; // error: 模板参数T不明确

    /* 正确使用方式一：强制类型转换 */
	Add(a, (int)d);     // 用强制类型转换生成的临时变量作为实参传递
	Add((double)a, d);

    /* 正确使用方式二：显式实例化 */
    Add<int>(a, d);
    
	return 0;
}

显式实例化的使用场景：

// 有些函数模板的参数列表中没有用模板参数，在函数体中才有用
// 所以无法通过实参来推演 T 的类型，只能显式实例化
template<class T>
T func(int x)
{
	T a(x);
	return a;
}

int main()
{
	// func(1); // error

	func<int>(1);    // 指定模板参数的实际类型为int
	func<double>(1); // 指定模板参数的实际类型为double
	func<A>(1);      // 指定模板参数的实际类型为自定义类型A

	return 0;
}

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1.2.5 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。

   模板匹配原则：有现成完全匹配的，直接调用；没有现成完全匹配的，调用模板实例化生成的。

   // 专门处理int的加法函数
   int Add(int left, int right)
   {
   	return left + right;
   }
   
   // 通用加法函数模板
   template<class T>
   T Add(T left, T right)
   {
   	return left + right;
   }
   
   void main()
   {
   	Add(1, 2);      // 与非模板函数匹配，优先调用非模板函数，编译器不需要特化
   	Add<int>(1, 2); // 不想用非模板函数，可以显式实例化函数模板，调用编译器特化的Add函数
       
       Add(1.1, 2.2);  // 没有现成匹配的，优先选择编译器特化的Add(double, double)函数
   }
   

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。如果该模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板。

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。

   示例：

   int Add(const int& a, const int& b)
   {
   	return a + b;
   }
   
   void main()
   {
   	int a = 10;
   	double d = 10.0;
   
   	Add(a, d); // 类型不匹配，编译器进行隐式类型转换
   }
   

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1.3 类模板

1.3.1 概念

类模板是对一批仅仅成员数据类型不同的类的抽象，程序员只要为这一批类所组成的整个类家族创建一个类模板，给出一套程序代码，就可以用来生成多种具体的类（这些类可以看作是类模板的实例），从而大大提高编程的效率。

注意：「类模板」中的「成员函数」都是「函数模板」。

类模板的成员函数是按需实例化：只有当程序用到它时才进行实例化。

当类模板的成员函数（包括普通成员函数、成员函数模板）被调用时（也即程序中出现了对该成员函数 / 函数模板的调用代码时），编译器才会帮我们把这些函数的具体实现代码进行实例化。若模板类中的某函数在程序中从未被调用过，那么编译器就不会实例化（生成）该成员函数的具体代码了。

类模板成员函数的模板形参由调用该函数的对象的类型确定。对象的模板实参能够确定成员函数的模板形参。

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1.3.2 类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	// 类内成员定义
};

示例：

// 类模板
// 注意：Stack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 T>
class Stack
{
private:
	T* _a;
	size_t _top;
	size_t _capacity;

public:
	// ...
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new T[capacity])
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{}

	~Stack(); // 析构函数，在类中声明，类外定义
};

// 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<class T>
Stack<T>::~Stack()
{
	if (_a)
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
	}
	_top = _capacity = 0;
}

int main()
{
	// 类模板的使用都是显式实例化
    // Stack是类名，Stack才是类型
	Stack<int*> st1;
	Stack<int> st2;

	return 0;
}

注意：模板不支持把声明写到 .h 头文件，定义写到 .cpp 源文件的这种声明与定义分离在不同文件中的方式，会出现链接错误。

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1.3.3 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板都是显式实例化，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。

• 对于普通类，类名就是类型

• 对于类模板，类名不是类型，类名才是类型

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注意：一个模板，如果没有实例化，编译器是不会去检查它内部的语法的。

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1.4 笔试题

类模板的使用实际上是类模板实例化成一个具体的（类）

A 类✔

B 函数

C 模板类

D 对象

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