C++初识模板

Posted 2021-11-24 蓝乐

模板

• 1.泛型编程
• 2.函数模板
• • （1）概念
  • （2）函数模板的格式
  • （3）函数模板的原理
  • （4）函数模板的实例化
  • • 隐式实例化
    • 显式实例化
  • （5）模板参数的匹配原则
• 3.类模板
• • （1）类模板的定义格式
  • （2）类模板的实例化

1.泛型编程

我们已经知道C++可以支持函数重载，也就是说拿Swap函数举例的话，我们可以实现多种类型的交换函数：

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void Swap(char& x, char& y)
{
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

但是如果一个项目中要交换的变量类型有很多种， 那么我们就需要实现多个Swap函数，但是Swap函数的逻辑是完全一样的，这样就使得代码的复用率变得很低，同时代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。那么有什么好的解决方法吗？
我们是否可以给编译器一个模具，让编译器根据这个模具自己去生成相应的代码呢？
这就是泛型编程了，即编写与类型无关的通用代码，这是代码复用的一种手段。而**模板是泛型编程的基础。**模板分为两种，函数模板和类模板。

2.函数模板

（1）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）函数模板的格式

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

即：返回值类型 函数名(参数列表){}
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)
还是用我们上面的Swap函数举例，那么使用函数模板的话就是：

template <typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

（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。

这是什么意思呢？实际上，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。

（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。函数模板的实例化分为两种，一种是隐式实例化，另外一种是显式实例化。

隐式实例化

即让编译器自己推演函数参数的类型。需要注意的是隐式实例化的参数一定要匹配，否则可能产生分歧导致编译器无法识别。比如：

template <typename T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	//Add(a,c);//该语句不能通过编译,因为无法确定T是int还是double
	//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, (int)c) << endl;
	cout << Add((double)b, d) << endl;
}

需要注意的是，这里不用Swap函数做例子的原因是：若进行强转，会产生临时变量，其具有常性，需用const修饰，无法交换，而实际上，从常识上来说，不同类型的变量也不会交换。

template <typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	//Swap(a, (int)c);//强转是赋值给一个临时变量，其具有常性，必须用const引用
	//但是一般不同类型的变量也不会交换，因此，这种交换没有意义
	return 0;
}

显式实例化

即在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	cout << Add<int>(a, c) << endl;
	cout << Add<double>(a, c) << endl;
}

再显式实例化中，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。

（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：

template <typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	Swap(a, b);//调用已经实现的非模板函数
	Swap(c, d);//调用模板函数
	return 0;
}

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：

template <typename T1, typename T2>
T2 Add(const T1& a, const T2& b)
{
	return a + b;
}

int Add(const int& a, const int& b)//专门处理int的Add函数
{
	return a + b;

}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	cout << Add(a, c) << endl;//调用模板函数
}

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
4. 总结来说，对于函数调用的优先级就是：完全匹配 > 模板 > 类型转换匹配。

3.类模板

（1）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
}; 

从Satck类来看，实际上类模板与普通的类区别不大，只是有两点需要注意：1.类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表；
2.再类外定义的函数必须和类在同一个文件，否则会出现链接错误。

template <typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new T[capacity])
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}
	void Push(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 <typename T>
void Stack<T>::Push(T x)
{
	if (_top == _capacity)
	{
		_capacity *= 2;
		T* tmp = (T*)realloc(_a, sizeof(int) * _capacity);
		if (tmp == nullptr)
		{
			cout << "realloc fail" << endl;
			exit(-1);
		}
		_a = tmp;
	}
	_a[_top++] = x;
}

（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。

int main()
{
	// Stack类名，Stack<int>才是类型
	Stack<int> s1;
	Stack<char> s2;
	return 0;
}