C/C++开发基础——函数模板
C/C++开发基础——函数模板
一，函数模板
1.基础概念
模板编程是C++中泛型编程的基础。
一个模板可以是创建类或者函数的蓝图。
模板编程分两种，分别是算法抽象的模板、数据抽象的模板。算法抽象的模板以函数模板为主，数据抽象的模板以类模板为主。
基于函数模板生成的函数定义被称为模板的一个实例。
模板的定义以关键字template开始，后跟一个由尖括号"<>"括起来的模板参数列表。
2.函数模板的简单样例
函数模板的开头：template
定义模板参数的关键字：typename
模板参数样例：T1, T2
函数参数样例：a, b
template <typename T1, typename T2>
void func(T1 a, T2 b)
{
//process code
}补充：在C++98标准添加关键字typename之前，C++也可以使用关键字class来为函数模板创建模板参数列表。
代码样例：
template <class T>
void Swap(T &a, T &b)
{
T temp;
temp = a;
a = b;
b = temp;
}3.函数模板的实例化
函数模板的实例化是指，编译器根据函数模板和具体的数据类型生成函数定义。
函数模板在实例化以后，模板参数会变成具体的数据类型，比如int, char等。
对于某一种具体的数据类型，比如int，无论以这个数据类型调用多少次函数模板，最后只生成一次该类型的模板实例。
所以，对于相同的数据类型，第一次调用函数模板的时候才会生成实例，后面再次调用的时候，都是直接使用该实例。
当编译器遇到一个函数模板的定义时，并不会马上生成相关代码，只有当我们将函数模板实例化成一个函数定义时，编译器才会生成代码。
代码样例：
a.函数模板
template <typename T>
T add(T num1, T num2) {
return (num1 + num2);
}b.函数模板的实例化
int result1 = add<int>(2, 3);
double result2 = add<double>(2.2, 3.3);实例化过程的图示：
在项目工程中，我们通常将类的定义放在头文件中，将类的成员函数的定义放在源文件中，将普通函数的声明放在头文件中，将普通函数的定义放在源文件中，但是函数模板的规则和它们不一样。
为了让编译器为实例化后的函数模板生成代码，编译器需要同时知道函数模板的声明和定义，因此函数模板的定义也需要放在头文件中。
4.函数模板的引用传参
对于以下函数模板：
template <typename T>
T larger(T a, T b)
{
return a > b ? a : b;
}该函数模板实例化以后生成的函数，需要按值传递的方式接收实参。
由于按值传送对象，会导致不必要地复制这些对象，因此，推荐使用const引用的方式定义模板参数。
template <typename T>
const T& larger(const T& a, const T& b)
{
return a > b ? a : b;
}5.函数模板的返回类型推断
对于无返回值的函数模板，可以把返回值类型写为void，比如最开始提到的：
template <typename T1, typename T2>
void func(T1 a, T2 b)有的函数模板，返回值类型和参数一致，同为T，比如：
template <typename T>
T larger(T a, T b)但是，当返回值类型和参数不一致时，得想办法让编译器可以推断返回值类型。
最简单的方式是使用auto关键字。
template <typename T1, typename T2>
auto larger(const T1& a, const T2& b)
{
return a > b ? a : b;
}
但是，使用auto来推导函数的返回值类型时，会默认去掉引用和const限定符，因此，以上方式会导致返回值发生不必要的复制。
因此，为了让返回值被const修饰，且采取引用的方式来传值，需要显式地加上"const &"，以上代码可以改为：
template <typename T1, typename T2>
const auto& larger(const T1& a, const T2& b)
{
return a > b ? a : b;
}还有一种更好的方式，C++11标准引入了decltype关键字，decltype相当于"const auto&"，因为decltype在做类型推导时，不会去掉引用和const限定符。
但是decltype的用法不能像auto一样，直接放在函数名前面。
decltype用法分两种：
方式1.拖尾方式：decltype(返回值相关代码)
template <typename T1, typename T2>
auto larger(T1 a, T2 b) -> decltype(a > b ? a : b)
{
return a > b ? a : b;
}方式2.和auto关键字结合：decltype(auto)
template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) larger(T1 a, T2 b)
{
return a > b ? a : b;
}第一种用法需要把返回值相关的代码逻辑重复写一遍，第二种用法更简洁。
6.模板参数可以指定默认值
可以用具体的数据类型为模板参数指定默认值。
例如：当函数经常使用int类型的参数时，指定模板参数的默认值为int。
template <typename T1=int, typename T2>
void func(T1 a, T2 b)7.非类型的模板参数
模板参数分两种：
1.类型模板参数
2.非类型模板参数
由尖括号"<>"括起来的模板参数列表中，除了可以包含类型模板参数，还可以包含非类型模板参数。
以上提到的"typename T1, typename T2"中的"T1, T2"都属于类型模板参数，而"int n, float m"中的"n, m"都属于类型模板参数非类型模板参数。
类型模板参数经过实例化会变成具体类型。
非类型模板参数经过实例化会变成具体的值。
代码样例：
应用场景：比较不同长度的字符串字面常量。
函数模板定义了两个非类型模板参数，参数N表示第一个数组的长度，参数M表示第二个数组的长度。
数组采用const和引用的方式传参。
template<int N, int M>
int compare(const char (&p1)[N], const char (&p2)[M])
{
return strcmp(p1, p2);
}非类型模板参数可以使用的数据类型：
整型，如int、long等
枚举类型
对象类型的引用或指针
函数的引用或指针
类成员的指针当模板参数列表中，同时有类型模板参数和非类型模板参数时，建议将非类型模板参数写在类型模板参数的前面。
代码样例：
template <int lower, int upper, typename T>
bool is_in_range(const T& value)
{
return (value <= upper) && (value >= lower);
}完整代码样例：
求任意数据类型，任意大小的数组的平均值。
#include <iostream>
template <typename T, int N>
T average(const T(&array)[N])
{
T sum{};
int i;
for (i = 0; i < N; ++i)
{
sum += array[i];
}
return sum / N;
}
int main()
{
double array_1[2]{ 1.1, 2.1 };
std::cout << average(array_1) << std::endl;
float array_2[]{ 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 };
std::cout << average(array_2) << std::endl;
int array_3[] = { 1, 2, 3, 4 };
std::cout << average(array_3) << std::endl;
return 0;
}运行结果：
1.6
2.5
28.inline/constexpr修饰的函数模板
和具体函数一样，函数模板可以用inline或constexpr修饰。
inline或constexpr在修饰时放在模板参数列表之后，返回值类型之前。
代码样例：
template <typename T>
inline T min(const T&, const T&);9.函数模板的重载
函数模板的重载有两种方式：
方式1.用同名函数重载函数模板
方式2.用另一个函数模板重载已有模板
重载的代码样例：
template <typename T>
T larger(const T data[], size_t count)
{
T result {data[0]};
for (size_t i {1}; i < count; ++i)
{
if (data[i] > result)
result = data[i];
}
return result;
}
template <typename T>
T larger(const std::vector<T>& data)
{
T result {data[0]};
for (auto& value : data)
{
if (value > result)
result = value;
}
return result;
}
二，函数模板的特例
1.基础概念
函数模板的特例是由原始的函数模板具体化而来的，因此，函数模板的特例也被称为函数模板的具体化(explicit specialization)。
函数模板的特例的定义必须放在函数模板的声明和定义之后。
当编译器找到与函数调用匹配的具体化定义时，将直接使用该函数模板的特例，而不再实例化函数模板。
函数模板的特例也以关键字template开头，但要省略参数，所以template后面的尖括号是空的。
函数模板的特例的定义需要传递具体的参数类型。
当函数模板的某个实例，需要被定义一种不同于原始函数模板的行为，就可以使用函数模板的特例去定义。
空的尖括号“<>”表示编译器不需要做类型推导。
函数模板特例的简单样例：
template <>
void func(int a, double b)
{
//process code
}2.代码样例
给定函数模板 larger(T1 a, T2 b)
template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) larger(T1 a, T2 b)
{
return a > b ? a : b;
}由于该函数模板不适用于指针数据类型，因此，定义以下函数模板的特例。
函数模板的特例，在代码逻辑中相比原始的函数模板多了解引用操作。
template <>
int* larger<int*>(int* a, int* b)
{
return *a > *b ? a : b;
//解引用操作是为了让两个指针比较指向的数值而不是地址
}普通函数，函数模板，函数模板特例的代码形式
//function
void Swap(int& a, int& b);
//template prototype
template <typename T>
void Swap(T& a, T& b);
//template explicit specialization
template <>
void Swap<int>(int& a, int& b);3.编译时的匹配优先级
当某个具体的数据类型可以同时匹配上普通函数，函数模板，函数模板的特例时，普通函数的调用优先于函数模板特例，函数模板特例的调用优先于原始函数模板。