『C++成长记』模板

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系列专栏：C++

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目录

一、泛型编程

二、函数模板

2.1函数模板概念

2.2函数模板格式

2.3函数模板的原理

2.4函数模板的实例化

2.5模板参数的匹配原则

三、类模板

3.1 类模板的定义格式

3.2类模板的实例化

3.3类模板的优点

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一、泛型编程

实现一个通用的交换函数

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;
}
    
void Swap(char& left, char& right)
{
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

我们想要实现一个通用的交换函数，可以通过函数重载来实现，但函数重载几个不好的地方：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数。
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。

模板的引入

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），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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，其中模板分为函数模板和类模板。

二、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

template 
返回值类型 函数名(参数列表){函数体}

小Tips：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class。T1、T2是模板参数，表示类型。

//一个交换函数的函数模板
template
void Swap( T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

2.3函数模板的原理

    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。

//一个交换函数模板
template
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

int main()
{
    int i1 = 10;
    int i2 = 20;
    Swap(i1, i2);

    double d1 = 1.1;
    double d2 = 2.2;
    Swap(d1, d2);

    char c1 = 'a';
    char c2 = 'b';
    Swap(c1, c2);
}

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int类型和char类型也是如此。

小Tips：这里三次调用是不同的函数，三次调用的函数地址不同。

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

隐式实例化就是让编译器根据实参，自动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);
    //Add(a1, d1);//该语句编译不通过
    Add(a, (int)d);//强制类型转换，将两个参数设置成同类型
    return 0;
}

注意：Add(a1, d1)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。

这里有三种处理方法，第一种方法：在函数模板的参数列表中再增加一个模板参数；第二种方法：用户自己来强制类型转换，对一个参数进行强制类型转换，使得两个参数的类型相同，例如：Add(a, (int)d)；第三种方法：使用接下来介绍的显式实例化。

显式实例化

显式实例化在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

template
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}

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

小Tips：如果传递的实参和实例化出的函数形参类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器会报错。 模板参数也可以作为函数模板的返回值类型。

显式实例化的实际使用场景

template//模板参数T
T* Func(int n)//函数模板的形参没有使用模板参数
{
    T* p = new[n];
    return p;
}

int main()
{
    double* p = Func(10);
    return 0;
}

如上面的代码所示，当函数Func没有传递参数或函数模板的形参没有使用模板参数，这样就无法推出模板参数T的类型，。因此，当用户想要调用Func函数时，必须进行显式实例化。从这里也可以看出，编译器支持隐式实例化的前提是：模板函数使用了模板参数类型的形参。

小Tips：编译器不会根据函数的返回值去推导模板参数T的类型，就像上面的Func函数模板，虽然返回值的类型是模板参数T，但是编译器不会根据这里去推演T的实际类型。

2.5模板参数的匹配原则

•  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
}

• 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
}

三、类模板

     在C语言中我们使用typedef来创建不同类型的栈，但如果我们想同时创建两个不同类型的栈，就需要在复制一份代码，这样十分复杂，而且代码不易读，所以就有了类模板。

3.1 类模板的定义格式

template//模板参数列表
class 类模板名
{
  // 类内成员定义
}; 

类模板的使用 

template
class Stack
{
public:
    Stack(int n = 4);

    ~Stack()
    {
        cout << "~Stack()" << endl;

        delete[] _a;
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

    void Push(const T& x)
    {
        //...
    }

private:
    T* _a;
    int _top;
    int _capacity;
};

// 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
Stack::Stack(int n)
{
    _a = new T[n];
    _top = 0;
    _capacity = n;
}

注意：类模板中的成员函数放在类外面进行定义时需要加模板参数列表，因为此时Stack已经不再表示类型了，编译器会根据Stack这个模板，同时实例化出多个类，此时Stack表示一个具体的类型。建议类模板中的成员函数，声明和定义不要分离到两个文件中。

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。

//Stack类名，Stack才是类型
Stack s1;
Stack s2;

小Tips：类模板只能显式实例化，类名不是类型，类名<数据类型>才是类的类型。

3.3类模板的优点

1. 提高代码的通用性和重用性。类模板实现了泛型编程的思想，使得类的实现不关注数据元素的具体类型，只关注类所需要实现的功能。这样，通过类模板创建的各类对象可以对多种数据类型进行操作，大大减少了代码量和工作量。

2. 增强了代码的灵活性和可扩展性。使用类模板可以轻松地实现许多功能类似的类，只需要改变数据类型的定义即可。例如，我们可以通过类模板设计一个通用的数据结构，如数组、链表、栈或队列等，而无需为每种数据类型都编写一次相同的代码。

3. 让代码更加直观和易于理解。使用类模板设计的代码具有很高的可读性和可维护性，因为模板的代码形式可以让人们很容易地看出代码所处理的数据类型。这无疑会大大提高代码的质量和开发效率。

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结语： 

     本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位读者三连支持。文章有问题可以在评论区留言，博主一定认真认真修改，以后写出更好的文章。你们的支持就是博主最大的动力。