【C++】模板

目录

一、泛型编程——模板概念

二、模板

2.1 函数模板

2.2 类模板

三、模板的特化

3.1 函数模板特化

3.2 类模板特化

四、模板分离编译

五、模板总结

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一、泛型编程——模板概念

我们在实现交换函数时，所交换的数据类型各不相同，为了能够普遍实现则需要重载很多交换函数

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;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

1. 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

2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成具体类型的代码呢？

在C++中，便存在这样一个模具，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。模板是泛型编程的基础。

二、模板

模板参数分类类型形参与非类型形参。

类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 之类的参数类型名称。

非类型形参：就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。

namespace xc
{
	// 定义一个模板类型的静态数组

	template<class T, size_t N = 10>

	class array

	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }

		size_t size()
		{
			return sizeof(_array) / sizeof(T);
		}
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};

}

注意：

1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。

2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

补： C++20以后 浮点数类型也可以当作非类型模板参数

非类型形参也可以给缺省值使用

C++20以后也可以这样给缺省参数

2.1 函数模板

(1)概念：函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，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)格式：template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

template<typename T>

void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main(void)
{
	int i = 1, j = 2;
	double m = 1.1, n = 2.2;
	Swap(i, j);
	Swap(m, n);
	return 0;
}

注意： typename 是用来定义模板参数关键字，也可以使用 class (切记：不能使用struct代替 class)

(3)函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。 所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应 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，对于字符类型也是如此。

汇编层中我们可以看到两次交换调用的并非是同一个函数

(4)函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

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);
	//推导实例化冲突问题 编译器不知道T类型是 int 还是 double
}

这里只定义了一个模板参数，所以函数传参时要用同类型的参数，函数的参数类型是根据所传参的参数类型推导出来的，两次推导结果不相同，编译器报错。 

注：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作

可以用推导实例化，强制类型转换来解决推导冲突的问题。在推导之前就将参变量强制转换成相同的类型，再通过编译器推导。

<2>显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

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;

	cout << Add<int>(a1, d1) << endl;
	cout << Add<double>(a1, d1) << endl;
	return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

必须显示实例化的情况：

函数模板参数中，并没有显示使用模板参数当作形参，此时编译器无法识别推导类型

template<class  T>
T* func(int n)
{
	return new T[n];
}

int main()
{
	//此时必须显示实例化 因为函数形参没有T类型 编译器推导不了
	int* p1 = func<int>(10);
	return 0;
}

(5)模板参数的匹配原则

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)
{
	cout << "int Add(int left, int right)" << endl;;
	return left + right;
}

// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	cout << "T Add(T left, T right)" << endl;;
	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

}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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， 那么将选择模板。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
	return left + right;
}

// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "T1 Add(T1 left, T2 right)" << endl;
	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
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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

2.2 类模板

(1)类模板定义格式

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

class 类模板名

{
 // 类内成员定义

};    

使用类模板可以同时创造不同类型的类

template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		, _size(0)
		, _capacity(n)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}
	void Push(const T& x)
	{
		if (_size == _capacity)
		{	//扩容
			T* tmp = new T[_capacity * 2];
			memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);//把_array拷贝到tmp
			delete(_array);//释放_array原来指向的空间

			_array = tmp;//_array指向新空间
			_capacity *= 2;
		}
		_array[_size++] = x;
	}

	//...

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

int main()
{
	Stack<int>s1; // int
	Stack<double>s2; // double
	return 0;
}

（2）类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同（类模板只能显示实例化)，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而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

三、模板的特化

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些 错误的结果，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 8, int day = 25)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _year << '/' << _month << '/' << _day << endl;
	}
	bool operator<(const Date& d)
	{
		if (_year < d._year)
			return 1;
		else if (_year == d._year)
		{
			if (_month < d._month)
				return 1;
			else if (_month == d._month)
			{
				if (_day < d._day)
					return 1;
				else
					return 0;
			}
			else
				return 0;
		}
		else
			return 0;
	}
private:
	int _year=1;
	int _month=1;
	int _day=1;
};
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; //可以比较，结果正确
	Date d1(2024, 8, 26);
	Date d2(2024, 8, 25);
	cout << Less(d1, d2) << endl; //可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

可以看到，Less 绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。

上述示例中，p1指向的d1显然大于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方 式。模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

3.1 函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板

2. 关键字template后面接一对空的尖括号 <>

3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型

4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)//这里 const修饰的是 内容本身
{
	return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* const& left, Date* const& right)//涉及 const 位置问题 
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;
	Date d1(2024, 8, 26);
	Date d2(2024, 8, 25);
	cout << Less(d1, d2) << endl;
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl;

	return 0;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

bool Less(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

3.2 类模板特化

<1>全特化：全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//全特化
template<>
class Data<int, char>
{

public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }

private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void Test()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

<2>偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本

偏特化有以下两种表现方式

部分特化:将模板参数类表中的一部分参数特化。

//基础模板
template<class T1, class T2> 
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
 T1 _d1;
 T2 _d2;
};

// 将第二个参数特化为int  只要第二个参数为int 将会调用该函数 当然全特化优先匹配
template <class T1> 
class Data<T1, int>
{
public:
    Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:
    T1 _d1;
    int _d2;
}; 

参数更进一步的限制： 偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

//基础模板
template<class T1, class T2> 
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
 T1 _d1;
 T2 _d2;
};

//两个参数偏特化为指针类型 
template <typename T1, typename T2> // typename 也可以 为 class
class Data <T1*, T2*> 
{ 
public:
    Data() {cout<<"Data<T1*, T2*>" <<endl;}
private: 
    T1 _d1; //这里的T 并不为指针 引用同理
    T2 _d2;
};

//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
    Data(const T1& d1, const T2& d2)
   : _d1(d1)
   , _d2(d2)
   {
            cout<<"Data<T1&, T2&>" <<endl;
   }
private:
    const T1 & _d1;
    const T2 & _d2;    
 };

TiP:这里的限制针对指针和引用类型

四、模板分离编译

（1）什么是分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。 

（2）模板的分离编译

假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h

template<class T>

T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp

template<class T>

T Add(const T& left, const T& right)
{
 return left + right;
}

// main.cpp

#include"a.h"

int main()
{
 Add(1, 2);
 Add(1.0, 2.0);
 
 return 0;
}

链接错误：

分析：

（3）解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。

2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

五、模板总结

【优点】

1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生

2. 增强了代码的灵活性

【缺陷】

1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误