C++模板初阶

Posted 2021-11-23 aaaaaaaWoLan

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++模板初阶相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

泛型编程
函数模板
类模板
- 类模板的定义格式
- 类模板的实例化

泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

//交换int类型的数据 
void Swap(int& left, int& right)
{
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

//交换double类型的数据
void Swap(double& left, double& right)
{
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

//交换char类型的数据    
void Swap(char& left, char& right)
{
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
......

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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，一个出错可能所有的重载均出错

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，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
(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

函数模板

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。

函数模板格式

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

template<class T>
//template<typename T>也可以，不一定要命名为T，其他的也行，表示模板参数
void Swap( T& left, T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}

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)

示例:

这种方式与auto的作用很相似，但auto不能用来作为参数和返回值。

注意：交换的两个参数的类型不同是不能进行交换的。

对于不同类型的参数，调的不是同一个函数，我们可以通过汇编来查看：

可以看到调用的两个函数的地址是不同的，所以调用的不是同一个函数。

函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生
产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界

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。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，对于字符类型也是如此。

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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

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);
    
/*
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
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;
}

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。

有些函数模板种的参数没用参数模板，比如T fun(int x)。这样的话，模板在函数体内才有用。因为这样就无法通过参数推演T的类型，只能用显示实例化的方式来调用这类函数。如下图：

使用显示实例化的方式来调用：

template <class T>
T fun(int x)
{
	T tmp(x);
	return tmp;
}

int main()
{

	fun<int>(1);

	return 0;
}

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<class T>
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<int>(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<class T1, class T2>//使用多个模板参数，完成不同类型数据的相加

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 
}
使用实例：
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

比如我们传的是double，自己创建的处理 int的Add函数就会进行隐式类型转换，将double转换为int。

而如果是显示实例化的调用，是不会进行这个转换的。

如果我们有一个支持 int类型数据相加的Add，还有一个Add函数模板，可是传的参数是double和double，即使它可以通过转换调用支持int类型数据的Add，但是编译器会选择函数模板来进行调用

也就是：完全匹配 > 模板 > 转换匹配

类模板

类模板的定义格式

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

// 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 T>
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();

    //尾插接口
    void PushBack(const T& data)；

    //尾删接口    
    void PopBack()；

    // ...
    size_t Size() {return _size;}

        //[]的重载
    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 <class T>
    Vector<T>::~Vector()//析构的定义
    {
        if(_pData)
        delete[] _pData;

        _size = _capacity = 0;
    }

想比C语言，如果我们想使用一个int类型的Stack和float类型的Stack，C++中用模板就行，而C语言还要写两段几乎相同的代码来区分装int数据的Stack和装float数据的Stack

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。

注意：类模板的使用都是显示实例化

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

声明和定义分离：

namespace ysj 
{
	template<class T>
	class Vector {
	public:
		
		Vector(size_t capacity = 10)
			:_a(new T[capacity])
			, _size(0)
			, _capacity(capacity)
		{
		}

		//尾插
		void push_back(T x);

		//返回大小
		size_t size()
		{
			return _size;
		}

		//operator[]重载
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert((pos < size()));
			
			return _a[pos];
		}

		//析构定义
		~Vector()
		{
			delete[] _a;
			_a = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

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

	///尾插定义
	template<class T>//要再写一遍，否则下面的T是无法识别的
	void Vector<T>::push_back(T x)//要声明是Vector<T>这个类里的
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
			T* tmp = new T[newcapacity];//因为C++没有realloc，所以只能再new一个新数组
			if (*tmp)
			{
				memcpy(tmp, _a, sizeof(T) * _capacity);
				delete(_a);
			}
			_a = tmp;
			_capacity = newcapacity;
		}

		_a[_size] = x;
		++_size;
	}

}

模板不支持分离编译，也就是声明在.h，定义在.cpp。建议声明和定义在一个文件中。

以上是关于C++模板初阶的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章