从零开始学C++之模板(一):函数模板、函数模板特化、重载函数模板、非模板函数重载

一、引子

考虑求两数较大值函数max(a,b) 对于a,b的不同类型,都有相同的处理形式:

return a < b ? b : a;

用已有方法解决:

(1)宏替换 #define max(a,b) ((a)< (b) ? (b) : (a))

存在的问题:避开类型检查

(2)重载

存在的问题:需要许多重载版本

(3)使用函数模板

二、模板

模板是一种参数化的多态工具 所谓参数化的多态性,是指将程序所处理 的对象的类型参数化,使一段程序代码可以用于处理多不同类型的对象。 采用模板编程,可以为各种逻辑功能相同而数据类型不同的程序提供一种代码共享的机制。

模板包括函数模板(function template)、类模板(class template)。本文主要讨论函数模板

三、函数模板

(一)、函数模板的使用

函数模板的一般说明形式如下: 

template < 模板形参表>

返回值类型 函数名(模板函数形参表){

//函数定义体

}

1、函数模板的定义以关键字template开头 2、template之后<>中是函数模板的参数列表 3、函数模板的参数是类型参数,其类型为class或typename

template<class T> template<class T1, class T2>

4、模板形参在模板中作为一种类型使用,可以用于函数的形参、函数返回值和函数的局部变量 5、每个模板形参要在函数的形参列表中至少出现一次

6、模板参数名的作用域局限于函数模板的范围内

(二)、函数模板的使用

1、函数模板为所有的函数提供唯一的一段函数代码,增强了函数设计的通用性

2、使用函数模板的方法是先说明函数模板,然后实例化成相应的模板函数进行调用执行 函数模板不是函数,不能被执行 置换代码中的类型参数得到模板函数——实例化 实例化后的模板函数是真正的函数,可以被执行

3、模板被编译了两次

实例化之前,先检查模板代码本身,查看语法是否正确;在这里会发现语法错误,如果遗漏分号等。 实例化期间,检查模板代码,查看是否所有的调用都有效。在这里会发现无效的调用,如该实例化类型不支持某些函数调用或操作符等。

4、普通函数只需要声明,即可顺利编译,而模板的编译需要查看模板的定义(声明和定义需放在同个.h文件)

(三)、函数模板特化

假设现在我们有这样一个模板函数max:

template <typename T> const T& max(const T& a, const T& b) {

return a < b ? b : a;

}

然后现在我们要比较两个字符串的大小,如:

const char* str1 = "aaa"; const char* str2 = "zzz";

此时如果按一般的实例化,比较的将是str1 和 str2 的大小,即比较指针数值大小,而不是字符串大小,故我们需要实现一个模板函数的特化,如下:

template<> const char* const& max(const char* const& a, const char* const& b) {

return strcmp(a, b) < 0 ? b : a;

}

(四)、重载函数模板,非模板函数重载

C++语言可以重载一个函数模板 用户可以用非模板函数重载一个同名的函数模板

max.h:

#ifndef _MAX_H_
#define _MAX_H_

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
const T &max(const T &a, const T &b)
{
    cout << "template max(const T& a, const T& b)" << endl;
    return a < b ? b : a;
}

// 函数模板重载
template <typename T>
const T &max(const T &a, const T &b, const T &c)
{
    cout << "template max(const T& a, const T& b, const T& c)" << endl;
    return ::max(a, b) < c ? c : ::max(a, b);
    // ::max 会调用非模板函数
}

// 非模板函数重载
const int &max(const int &a, const int &b)
{
    cout << "max(const int& a, const int& b)" << endl;
    return a < b ? b : a;
}

// 函数模板特化
template <>
const char *const &max(const char *const &a, const char *const &b)
{
    cout << "template <> max(const char* const&a, const char* const& b)" << endl;
    return strcmp(a, b) < 0 ? b : a;
}

// 非模板函数重载
const char *const &max(const char *const &a, const char *const &b)
{
    cout << "max(const char* const&a, const char* const& b)" << endl;
    return strcmp(a, b) < 0 ? b : a;
}

#endif // _MAX_H_

main.cpp:

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

#include "max.h"

class Test
{
public:

    friend bool operator<(const Test &t1, const Test &t2)
    {
        cout << "operator<(const Test& t1, const Test& t2)" << endl;
        return true;
    }
};

int main(void)
{
    //与 std::max 区别开来
    cout <<::max(5.5, 6.6) << endl;     // 自动推导 max(const double&, const double&);
    cout <<::max('a', 'c') << endl;     // 自动推导 max(const char&, const char&);

    Test t1;
    Test t2;
    ::max(t1, t2); // Test::operator<(const Test& t1, const Test& t2)

    const char *str1 = "aaa";
    const char *str2 = "zzz";
    cout <<::max(str1, str2) << endl; //优先选择非模板函数

    cout <<::max<>(str1, str2) << endl; //指定使用模板,进而找到模板特化
    //  cout<<::max<const char*>(str1, str2); // 显式指定模板特化函数max(const char* const&a, const char* const& b)
    cout <<::max(1, 5, 3) << endl; // 模板匹配,进而自动推导

    cout <<::max('a', 50) << endl; // 'a'即97;选择非模板函数(char可以隐式转换成int)

    cout <<::max(97, 100) << endl;          // 优先选择非模板函数

    cout <<::max<>(97, 100) << endl;        // 指定使用模板,进而自动推导
    //  cout<<::max<>('a', 50)<<endl;       // Error,指定使用模板,但编译器不知道怎样推导
    cout <<::max<int>(97, 100) << endl; // 显式指定模板函数max(const int&, const int&)
    cout <<::max<int>('a', 50) << endl; // 显式指定模板函数max(const int&, const int&)


    return 0;
}

函数模板可以通过传递的参数类型自动推导,查看是否有合适的函数实例可用,而类模板则必须显式说明模板的类型参数,这样才能实例化模板类实例。

四、模板的偏特化

模板的偏特化是指需要根据模板的某些但不是全部的参数进行特化

(1) 类模板的偏特化 例如c++标准库中的类vector的定义 template <class T, class Allocator> class vector { // … // }; template <class Allocator> class vector<bool, Allocator> { //…//}; 这个偏特化的例子中,一个参数被绑定到bool类型,而另一个参数仍未绑定需要由用户指定。

(2) 函数模板的偏特化 严格的来说,函数模板并不支持偏特化,但由于可以对函数进行重载,所以可以达到类似于类模板偏特化的效果。 template <class T> void f(T);  (a)根据重载规则,对(a)进行重载template < class T> void f(T*);  (b)如果将(a)称为基模板,那么(b)称为对基模板(a)的重载,而非对(a)的偏特化。C++的标准委员会仍在对下一个版本中是否允许函数模板的偏特化进行讨论。

参考:

C++ primer 第四版 Effective C++ 3rd C++编程规范

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