【C++心愿便利店】No.10—C++之模板

文章目录

• 前言
• 一、泛型编程
• 二、函数模板
• 三、类模板

前言

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📋专栏：C++ 心愿便利店
🔑本章内容：函数模板、类模板
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、泛型编程

如果想要实现通用的函数进行交换，第一想到的就是直接学过的函数重载，如下述：当我们交换两个数值时，无论是整形、浮点型、还是字符型，使用Swap函数传参来交换，编译器会根据你所传入的数据类型，自动匹配对应的Swap函数进行交换

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;
}

但是使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

• 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
• 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，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）。

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

二、函数模板

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

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

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}

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

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main()
{
	int i = 1, j = 2;
	Swap(i, j);

	double a = 1.1, b = 2.2;
	Swap(a, b);

	char n = 'a';
	char m = 'b';
	Swap(n, m);
	return 0;
}

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，对于字符类型和整形也是如此。

实际中当需要交换两个数据的时候不需要自己写Swap函数，因为库中已经实现好了，可以用库中的swap（注意：s小写）实现对两个同类型数据的交换

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。

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);//都是整型
	Add(d1, d2);//都是浮点型
	//Add(a1, d1);//该语句编译不通过
	Add(a1, (int)d1);//强制类型转换，将两个参数设置成同类型
	Add((double)a1, d1);//强制类型转换，将两个参数设置成同类型
	return 0;
}

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
此时有两种处理方式：

• 用户自己来强制转化，对其中一个参数进行强制类型转换，使得两个参数是同类型数据
• 在函数模板的参数列表中再增加一个模板参数template<class T1,class T2>
• 使用显示实例化

注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 1;
	double b1 = 1.1;
	//显式实例化
	Add<int>(a1, b1);
	Add<double>(a1, b1);
	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。

template<class T>
T* func(int n)
{
	return new T[n];
}
int main()
{
	int* ptr = func<int>(10);
	int* ptr = func(10);//错误写法
	return 0;
}

如上述显式实例化的使用场景代码，函数模板func并没有模板参数T类型的形参，而是int类型，因此编译器就无法去根据用户传递的实参类型去推导出模板参数T的具体类型。所以，调用func函数时，必须进行显式实例化。显然编译器不会根据函数的返回值去推导模板参数T的类型

• 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>
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

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

// 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();
 
 void PushBack(const T& data);
 void PopBack();
 // ...
 
 size_t Size() {return _size;}
 
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()
{
 if(_pData)
 delete[] _pData;
 _size = _capacity = 0;
}

注意：Vector不是具体的类，编译器是会根据被实例化的类型生成具体类。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（Vector::~Vector()）而非（Vector:: ~Vector()），因为单独的Vector已经不再表示类型了，Vector才表示一个具体的类型。
类模板中的成员函数，声明和定义不要分离到两个文件中

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;