C++之模板（上）

摘星

发布于 2023-04-28 09:07:11

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发布于 2023-04-28 09:07:11

文章被收录于专栏：C/C++学习

前言

本文介绍了C++模板的基础概念，简单介绍了泛型编程，模板，以及模板中的函数模板与类模板等相关概念。

一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数（任何类型的参数都可以使用）呢？代码如下：

void Swap(int& x, int& y)
{
	int temp = x;
	x = y;
	y = temp;
}
void Swap(double& x, double& y)
{
	double temp = x;
	x = y;
	y = temp;
}
//……
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 10.1;
	double d = 20.1;
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	cout << a << "-" << b << endl;
	cout << c << "-" << d << endl;
	return 0;
}

运行结果：

如上代码中使用函数重载，虽然可以实现通用的交换函数，但是有一下几个不好的地方：

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。那么，我们能否告诉编译器一个模子，让编译器自动根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？在C++中，存在着这样一个模具，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。本文介绍的模板是泛型编程的基础。

二、模板

1.函数模板

1.函数模板概念

函数模板表示一个函数家族，与函数的参数类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型实例化出特定的类型版本

2.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）{}

其中typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class（注意：不能使用struct）。示例：

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

运行结果：

那么这两次数据的交换使用的是同一个函数吗？或者说是用这个模板来进行这两次数据交换的吗？我们观察一下这个代码的反汇编：

可以看出这两次数据交换调用的是不同的函数（即，编译器根据实参类型通过函数模板实例化出的两个不同的函数）

3.函数模板原理

函数模板是一个蓝图，它本身不并是函数。它是提供给编译器，让编译器用特定方式产生特定具体类型函数的模具。因此模板的使用，就是将本来应该由我们重复做的事情交给编译器去做（实例化特定的函数）。在编译器编译阶段，对于模板函数的使用：编译器根据传入的实参类型，推演出要生成的对应类型的函数，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int类型也是如此。

4.函数模板的实例化

不同类型的参数使用函数模板生成具体对应的函数时，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。

1.隐式实例化

让编译器根据实参类型自动推演模板参数的实际类型。

template<typename T>
void ADD(const T& x,const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 10.1;
	double d = 20.1;
	ADD(a, b);
	ADD(c, d);
	cout << a << "-" << b << endl;
	cout << c << "-" << d << endl;
	//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
	//ADD(a, d);
	// 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((double)a, d);
	//或者：  ADD(a,(int) d);
	return 0;
}

2.显示实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。如果参数类型不匹配，编译器会进行隐式类型转换，如果无法转换，则编译器会报错。

template<typename T>
void ADD(const T& x,const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double c = 10.1;
	double d = 20.1;
	ADD<int>(a, d);
	//或者：  ADD<double>(a,d);
	return 0;
}

5.模板参数的匹配原则

一个非模板函数可以与一个同名模板函数同时存在，而且该模板函数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
}

模板函数不允许编译器进行自动类型转换，非模板函数允许。
在没有显示实例化的情况下，编译器会优先匹配非模板函数。但是，如果模板函数实例化出一个更好匹配的函数，就会匹配模板函数实例出的函数。

// 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 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
}

2.类模板

和通用函数的问题相似，通用类也有这几个问题：

这几个类仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己修改类的类型；
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的类均出错。为了解决这些问题，我们引入了类模板。

1.类模板的定义格式

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

template <class T>
//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
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 4)
		:_capacity(capacity),
		_size(0),
		_pData(new T[capacity])
	{}
	~Vector();//在类中声明
	void PushBack(const T& data);//用模板，则尽量用引用，提高效率。
	void Pop();
	size_t Size() { return _size; }
	//...
private:
	size_t _capacity;
	size_t _size;
	T* _pData;
};
//注意：类模板中函数放在类外定义，需要加模板参数列表，要用类加作用域限定符:: 指明类域
template <class T>
Vector<T> :: ~Vector() 
{
	if (_pData)
	delete[] _pData;
	_capacity = _size = 0;
}

2.类模板的实例化

类模板的实例化与函数模板的实例化不同：

函数模板可以推演实例化（用实参的类型推演形参的类型，进而实例化出具体类型的函数）；
类模板没有推演的时机，所以只能显示实例化，即，在类模板名后跟上<>，然后将实例化的类型放入<>即可。

注意：

类模板不是真的类，实例化出类才是真的类。
类的模板参数不同，就是不同的类型。

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

3.类模板和模板类的区别

类模板：主要描述的是模板，这个模板是类的模板。可以理解为一个通用的类，这个类中的成员变量，成员函数的形参以及成员函数的返回值的类型不用具体的指定，这些类型都是虚拟的。用类模板进行对象定义的时候，才会根据对象的实际参数类型来替代类模板中的虚拟类型。通俗一点来说，可以看作是做蛋糕的模具。
模板类：主要描述的是类，这个类使用类模板进行声明。将类模板中的虚拟类型参数指定成一个具体的数据类型参数。通俗一点说，可以看作用模具做出来的蛋糕。