初步认识C++模版

前言

在C语言中，我们知道函数的形参需要指定类型，但是在C++中，我们可以模版实现各种类型参数的通用函数。

1. 泛型编程

我们通过函数重载实现多种类型的同一作用的函数。如交换函数：

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;
}

但是这里有不好的地方：

1. 重载函数的代码复用率较低，当有新类型出现的时候，需要用户自己新增对应函数

2. 代码的可维护性较低，一个出错可能导致所有的重载进出错

因此，C++研究出了模版来实现函数的多类型形参使用。

2. 函数模版

2.1 什么是函数模版

函数模版代表了一整个函数体系，该函数模版与类型无关，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。

2.2 函数模版格式

template<typename T1,typename T2,......,typename Tn>

在交换函数中的使用：

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

注意：typename可以用来定义模版参数关键字，也可以用class，但是不能用struct。

2.3 函数模版的原理

函数模版是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器使用方式产生的具体类型函数的模具。所以其实模版就是将我们该做的重复的事情交给了编译器。

在编译阶段，对于模版的使用，编译器根据传入的实参类型推演生成对应类型的函数以供调用。比如：当用double类型使用函数模版时，编译器通过推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码。

2.4 函数模版实例化

当不同类型的参数使用函数模版时，称为函数模版的实例化。

模版实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模版参数的实际类型

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);
Add(a1,d1);
return 0;
}

这段代码是不能通过编译的，因为在第一个ADD的时候，模版将T推演为int类型，而第二个add则将T推演为double类型，然而模版参数列表只有一个T，所以会报错。

这时就需要处理，有两种方法：

1. 用户自己强制转换

Add(a1,(int )d1);

2. 使用显式实例化:在函数名后的<>中指定模版参数的实际类型

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

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果不能转换成功则编译器会报错。

2.5 模版参数的匹配原则

1. 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
}

2. 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，那么将选择模版。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
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3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换
3. 类模板
3.1 类模板的定义格式
}
// 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. 类模版

3.1 定义格式

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


#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
Stack(size_t capacity = 4)
{
_array = new T[capacity];
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
void Push(const T& data);
private:
T* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
// 扩容
_array[_size] = data;
++_size;
}
int main()
{
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double
return 0;
}

注意：每个函数模版定义后的作用域只在后面的一个短区域，因此需要定义多次函数模板。

3.2 类模版的实例化

类模版的实例化与函数模版不同，类模版的实例化需要在名字后面跟<>，将类型放在<>中间，类模板的名字不是真正的类，实例化的结果才是真正的类。

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double