C++：模板

目录

一、泛型编程

二、函数模板

什么是函数模板？

函数模板的格式：

函数模板的原理

函数模板的实例化：

函数模板的匹配原则

三、类模板

类模板格式：

类模板实例化：

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一、泛型编程

C++泛型编程是指利用模板来实现通用的数据类型和算法。通过泛型编程，可以编写与特定数据类型无关的代码，从而提高代码的重用性和灵活性。

在C++中，泛型编程主要通过模板实现。模板是一种将类型参数化的机制，使得我们可以编写出通用的数据结构和算法，而不必为每种数据类型都重新实现一遍。通过使用模板，可以实现像容器类（如vector、list等）和算法（如排序、查找等）这样的通用数据结构和操作。

比如我们常用的一个交换函数：

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;
}

在交换不同类型的变量时需要函数重载，这样我们的编程效率会降低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数 ，代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

我们在网上购物时，购物车系统需要能够处理各种类型的商品和相关操作，比如添加商品、移除商品、计算总价等。这里可以使用泛型编程的思想来设计购物车系统，使其能够适用于不同类型的商品，而无需为每种商品类型都编写特定的处理逻辑。

如果在 C++ 中，也能够存在这样一个模具，那就是

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。

模板分为两类

                  

二、函数模板

什么是函数模板？

函数模板是一种用于创建通用函数的工具。它允许编写函数的通用形式，以便可以使用不同的数据类型进行实例化。通过函数模板，可以编写一次通用的函数定义，然后根据需要用不同的数据类型进行特化，而无需为每种数据类型都重新编写函数。

函数模板的格式：

template

返回值类型 函数名 ( 参数列表 ){}

template
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

注意： 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，与结构体不一样)

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

模板实例化：当编译器遇到函数模板的调用时，它会根据实际使用的数据类型，为每种特定的数据类型实例化一个具体的函数版本。这个过程称为模板实例化。

编译器推导：在模板实例化的过程中，编译器会根据传入的参数类型推导出模板参数的具体类型。这个过程称为模板参数推导。

代码生成：一旦模板参数的具体类型被推导出，编译器将使用这些具体的类型来生成对应的函数代码。通常，这些代码会被放入目标文件中，以便链接器在链接时使用。

重载决议：当调用一个函数模板时，编译器需要进行重载决议（overload resolution）以确定到底使用哪个函数实例。这个过程类似于普通函数重载的解析过程，但在函数模板中，可能会涉及更复杂的候选函数集合和最佳匹配选择。

隐式类型转换：与普通函数一样，函数模板也允许隐式类型转换。当编译器无法找到完全匹配的实例化版本时，会尝试进行隐式类型转换来寻找最佳匹配的函数实例。

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);



	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
	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
	Add(a1, d1);
	*/

	// 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)d);
	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

如果类型不匹配，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将会报错。

 函数模板的匹配原则

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
}

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

三、类模板

类模板格式：

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

class 类模板名

{

// 类内成员定义

}；

在类模板外部定义成员函数时，需要带上模板参数 T，并且需要使用 ClassName:: 来指明这是类模板 ClassName 中的成员函数。

// 动态顺序表
// 注意：Vector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 Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
	~Vector();

	void PushBack(const T& data);
	void PopBack();
		// ...

	size_t Size() { return _size; }

	T& operator[](size_t pos);
	{
		assert(pos < _size);
		return _pData[pos];
	}

private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _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 
Vector::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

类模板实例化：

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

// Vector 类名， Vector 才是类型

Vector < int > s1 ;

Vector < double > s2 ;