【c++】初阶模版与STL简单介绍

🔥个人主页：Quitecoder

🔥专栏：c++笔记仓

朋友们大家好，本篇文章介绍一下模版和对STL进行简单的介绍，后续我们进入对STL的学习！

目录

• 模版
• • 1.泛型编程
  • 2.函数模板
  • • 2.1函数模板的原理
    • 2.2模版的实例化
    • 2.3函数模板的匹配
  • 3.类模板
• STL
• • 1.什么是STL？

模版

1.泛型编程

泛型编程是一种编程范式，它强调的是在编写代码时能够使得算法、数据结构或函数能够对各种数据类型都能工作，而无需因数据类型的不同而重写代码。泛型编程的核心思想是通过抽象化类型来增加软件的复用性、灵活性和类型安全

例如，我们要写完成交换函数：

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;
}
......

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个不好的地方：

1. 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
2. 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？

在泛型编程中，通常会使用到“泛型”这个概念，它允许你在定义函数、类或接口时使用类型参数，这个类型参数随后可以在使用函数、类或接口时被具体的类型所替换。这样，同一套逻辑就可以适用于多种数据类型，而不需要为每种类型编写重复的代码

在C++中，可以使用模板（template）来实现泛型编程

2.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

函数模板允许你编写与类型无关的函数，这意味着你可以创建一个通用的函数，该函数可以接受多种类型的参数

基本语法：

template <typename T>
T functionName(T parameter) {
    // 函数实现
}

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

在这里，typename T 定义了一个类型参数，它在函数模板被实例化时将被具体的类型替换。例如，如果你用 int 类型实例化该模板，编译器将生成一个接受 int 参数并返回 int 类型值的函数，T代表类型

有了这个模板，我们不需要再写几个函数重载

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

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 3.0, d = 4.5;

	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	return 0;
}

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)

2.1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

所以这里调用的并不是我们的模版void Swap(T& left, T& right)，编译器会根据我们的调用进行类型推导

在函数模板的调用中，编译器大多能够自动推导出模板参数的具体类型，这一过程称为类型推导。在大多数情况下，编译器通过查看函数调用时提供的参数类型来决定模板参数的类型

根据推导结果生成一个新的函数来调用，比如上述示例

	Swap(a, b);
00007FF6AAA81995  lea         rdx,[b]  
00007FF6AAA81999  lea         rcx,[a]  
00007FF6AAA8199D  call        Swap<int> (07FF6AAA812DAh)  
	Swap(c, d);
00007FF6AAA819A2  lea         rdx,[d]  
00007FF6AAA819A6  lea         rcx,[c]  
00007FF6AAA819AA  call        Swap<double> (07FF6AAA8131Bh) 

这两个函数是编译器根据函数模版和需要的类型生成的，这个过程是编译器实现的

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

2.2模版的实例化

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);
	return 0;
}

那么能这样实现吗？

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

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

强制转换：

Add(a, (int)d);
Add((double)a,b);

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

00007FF7915F19C5  call        Add<int> (07FF7915F13D4h)

2.3函数模板的匹配

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
}

模板特化允许程序员为模板提供特定类型的特殊实现。当编译器遇到一个已经有特化实现的模板实例时，它会使用这个特化版本而不是通用模板。特化可以是全特化，针对所有模板参数都提供具体类型，也可以是偏特化，仅对模板的部分参数提供具体类型

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
}

3.类模板

template<class T>
class Stack
{
public:
    Stack(int = 10)
 : _a(new T[capacity])
 , _size(0)
 , _capacity(capacity)
 {}
	void Push(const T& x)
	{}
	~Stack();
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

注意：Stack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

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

Stack<int> s1;
Stack<double> s2;

Stack类名，Stack<int>才是类型

~Stack();

使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义

template <class T>
Stack<T>::~Stack()
{
 if(_a)
 delete[] _a;
 _top = _capacity = 0;
}

类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表

STL

1.什么是STL？

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架

发展历史：

STL的六大组件：

1. 容器（Containers）：这些是用来管理某一类对象的集合的数据结构。STL容器分为序列式容器（如vector、list、deque等）和关联式容器（如set、map等）

2. 迭代器（Iterators）：迭代器是一种使程序员能够遍历容器中的元素，而不需要了解容器内部实现细节的对象。迭代器充当容器与算法之间的桥梁。

3. 算法（Algorithms）：STL提供了一大套算法，比如排序（sort）、查找（find）、替换（replace）、计数（count）、遍历（for_each）等，这些算法可以作用于容器存储的数据上。

4. 函数对象（Function objects，也称为仿函数Functors）：它们是实现了operator()的类的对象，可以作为算法的某些操作的准则或策略。

5. 适配器（Adapters）：适配器可以修改容器或函数对象的接口，使其适用于不同的场合。例如，stack、queue和priority_queue是容器适配器。

6. 分配器（Allocators）：用于定义内存模型，允许STL容器管理存储空间的分配和释放。

STL确实是现代C++编程的基石，它的设计哲学、灵活性以及对编程效率的提升有着深远的影响