[C/C++]浅析C++中的模板

Posted 2021-07-19 TT在长大

本文将对C++中的模板进行简单介绍，明确一些基本概念。

模板是泛型编程的基础，泛型编程即以一种独立于任何特定类型的方式编写代码。

模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。

首先我们要明确什么是泛型编程。

1. 泛型编程

泛型编程是一种编程风格，其中算法以尽可能抽象的方式编写，而不依赖于将在其上执行这些算法的数据形式。

泛型编程是一种专注于对算法及其数据结构进行设计的编程方式，它使得这些算法即数据结构能够在不损失效率的前提下，运用到最为通用的环境中。

如下面代码：
 

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;
}

对于不同的输入类型的交换函数，虽然我们可以通过函数重载实现，但是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。代码的可维护性比较低。

基于这种情况，在C++引入了泛型编程，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。

C++中的模板包括函数模板和类模板两种。接下来对两种进行分别介绍。

2. 函数模板

2.1 概念

函数模板可以用来创建一个通用的函数，以支持多种不同的形参，避免重载函数的函数体重复设计。它的最大特点是把函数使用的数据类型作为参数。

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。

注意：容易与模板函数混淆，模板函数：在使用函数模板时，要将这个形参实例化为确定的数据类型。将类型形参实例化的参数称为模板实参，用模板实参实例化的函数称为模板函数。模板函数的生成就是将函数模板的类型形参实例化的过程。

2.2 函数模板格式

函数模板的声明形式为：

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

template<typename 数据类型参数标识符>

<返回类型><函数名>(参数表)

{

    函数体

}

这里可以传递多个数据类型参数。

typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class但是不能使用struct代替class。

template<typename T>
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。

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。如当用int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int类型，然后产生一份处理int类型的代码。

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。

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

下面的代码中Add(a1, d1)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。

template<class T>
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);
 
     /*
     
    注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作
     */
 
     // 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

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

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。

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。

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。

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。

3. 类模板

3.1 类模板的定义格式

C++ 中类模板的写法如下：

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

namespace zht					//建立命名空间
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		size_t size();
	private:
		T* a;
		int _size;

	};
	template<class T>		//在外面声明，外面定义需要再次声明模板
	size_t vector<T>::size()
	{
		return _size;
	}
}

类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表。

模板不支持分离编译一个在.h,一个.cpp。

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。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;