【C++】模板(template)初阶

文章目录

      • 一、认识模板
        • 1.1 泛型编程
        • 1.2 函数模板
          • 1.2.1 概念
          • 1.2.2 函数模板的格式
          • 1.2.3 函数模板的原理
          • 1.2.4 函数模板的实例化
          • 1.2.5 模板参数的匹配原则
        • 1.3 类模板
          • 1.3.1 概念
          • 1.3.2 类模板的格式
          • 1.3.3 类模板的实例化
        • 1.4 笔试题

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。


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。


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


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:

【C++】模板(template)初阶_第1张图片

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。


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;
}

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
    }
    

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。


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。


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


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。


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

【C++】模板(template)初阶_第2张图片

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