C++模板初阶

最新推荐文章于 2025-04-26 20:53:04 发布

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 开发语言

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C++模板初阶

1、泛型编程
2、函数模板
3、类模板
4、STL简介

1、泛型编程

如何实现一个交换函数呢？

void swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void swap(double& x, double& y)
{
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void swap(char& x, char& y)
{
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

上面代码通过函数重载分别实现了int、double、char三种不同类型的交换。
但是通过函数重载的方式还是有些繁琐，如果我要交换其他类型，我就得继续重载swap函数。那么有没有一种方式可以提高效率呢？能否告诉编译器一个模子，然后让编译器根据不同的类型来生成对应的代码？——这就是模板
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。

2、函数模板

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。
函数模板格式：
template<typename T1, typename T2, …, typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){}
其中typename也可以class替换。

使用模板后，交换函数的代码我们改为：

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	double c = 11.1, d = 22.2;
	Swap(a, b);
	cout << a << " " << b << endl;
	Swap(c, d);
	cout << c << " " << d << endl;
	return 0;
}

上面的代码，对于任何类型都可以实现交换，但是必须是同种类型的交换。
编译器会根据我们调用swap函数时传的参数来推演生成对应类型的函数。当我们传参int类型时，编译器就会生成int类型的交换函数。对于其他类型也是如此。

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。

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	double c = 11.1, d = 22.2;
	cout << Add(a, b) << endl;
	cout << Add(c, d) << endl;
	return 0;
}

上面调用Add函数都是隐式实例化，编译器通过传参a、b和c、d来判断要实例化的函数类型。

下面让a和c进行相加，由于a是int类型，而c是double类型，两个类型不一致所以编译报错。

	cout << Add(a, c) << 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。
此时有两种处理方式：
1、用户自己强制类型转换：

	// 将c强转成int或者将a强转成double——保持a与c类型一致
	cout << Add(a, (int)c) << endl; 
	cout << Add((double)a, c) << endl;

2、显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

	cout << Add<int>(a, c) << endl;    // 显示实例化为int
	cout << Add<double>(a, c) << endl; // 显示实例化为double

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)
{
	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，那么将选择模板

// 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 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、类模板

在过去，我们实现一个Stack类是这么写的：

typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new STDataType[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	~Stack()
	{
		if (_a)
		{
			delete[] _a;
			_a = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}

	// 其他函数省略
private:
	STDataType* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

默认定义的是int类型的栈，当我们需要double类型的栈时，我们就修改typedef int STDataType为typedef double STDataType。当需要char类型就修改int为char。
这样是非常繁琐的，而且如果当我们需要同时使用int类型和double类型的栈时，就需要再拷贝一份代码出来。这样非常麻烦，有了类模板，我们可以这么写：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	~Stack()
	{
		if (_a)
		{
			delete[] _a;
			_a = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}

	// 其他函数省略
private:
	T* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

int main()
{
	// Stack是类名，Stack<int>才是类型
	Stack<int> s1;    // 实例化为int类型的栈
	Stack<double> s2; // 实例化为double类型的栈
	Stack<char> s3;   // 实例化为char类型的栈
	return 0;
}

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。

另外，类模板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。
如果要声明和定义分离需要像下面这么写：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	~Stack()
	{
		if (_a)
		{
			delete[] _a;
			_a = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}

	void Push(const T& x);
	// 其他函数省略
private:
	T* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	_a[_size++] = x;
}