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
2

8.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。

三，参考阅读

《C++17入门经典》

《C++ primer》

《深入理解C++11》

https://www.programiz.com/cpp-programming/function-template