C++之模板（上）
文章目录
- 前言
- 一、泛型编程
- 二、模板
- 1.函数模板
- 1.函数模板概念
- 2.函数模板格式
- 3.函数模板原理
- 4.函数模板的实例化
- 1.隐式实例化
- 2.显示实例化
- 5.模板参数的匹配原则
- 2.类模板
- 1.类模板的定义格式
- 2.类模板的实例化
- 3.类模板和模板类的区别
- 总结
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
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
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
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
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, d);//或者： ADD(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
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(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
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
class 类模板名
{//类内成员的定义
};
template
//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
Vector :: ~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才是类型Vector s1;Vector 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。
总结
以上就是今天要讲的内容，本文介绍了C++模板的基础概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！