初识C++模板

1. 泛型编程思想

思考：如何实现一个通用的交换函数？

// 思考：如何实现一个通用的交换函数？
// 传统方式：函数重载，但是遇到类型不同，反复的写重复的代码
void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(double& left, double& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(int*& left, int*& right)
{
	int* tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

函数重载存在以下问题：

1. 重载的函数只是类型不同，代码复用率过低，如果有新的类型需求，还需要写重复的代码
2. 代码可维护性差，一个出错可能所有的重载都会出错

能否给编译器一个模具，让编译器根据不同的类型利用这个模具来生成代码？

如图所示，在C++中，也存在这样一个模具，通过给模具填充不同的材料（类型），来获取不同的成品（生成具体类型的代码）

由此，引出泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码服用的一种手段

2. 函数模板

2.1 函数模板定义

函数模板代表了一个函数家族，函数模板和类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生特定类型的函数

template<typename T1, typename T2,...> 返回值类型 函数名(参数列表){}

typename是定义模板参数的关键字

// 函数模板
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

2.2 函数模板原理

函数模板是一个蓝图，它不是函数，是编译器使用特定方式产生特定具体类型函数的模具。所以模板是一种偷懒方式，将大量需要重复实现的代码交给编译器实现

在编译阶段，对于函数模板的使用，编译器要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数来供调用

2.3 函数模板实例化

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，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推演模板参数的实际类型

// 隐式实例化
template<typename T>
T Add(const T left, const T right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	double x = 2.1;
	double y = 3.0;

	cout << Add(a, b) << endl;
	cout<<Add(x, y)<<endl;

	//  “T Add(const T,const T)”: 无法从“double”推导出“const T”的 模板 参数
	//  函数模板只有一个参数T，编译器不知道要将此处的T推演成int类型还是double类型
	// 此时有两种解决办法： 1. 强制类型转换 2. 显式实例化
	/*Add(a, y);
	Add(x, b);*/

	cout << Add(x, (double)b) << endl;;
	cout << Add(a, (int)y) << endl;;
	return 0;
}

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main()
{
	int b = 20;
	double x = 2.1;
	// 显式实例化
	Add<int>(x, b);
	return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果失败则会报错

2.4 模板参数匹配原则

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还能被实例化成这个非模板函数

// 专门处理int类型的乘法函数
int Mul(const int left, const int right)
{
	return left * right;
}
// 通用乘法模板函数
template<typename T>
T Mul(const T left, const T right)
{
	return left * right;
}

int main()
{
	// 00007FF62E3818D6  call        Mul (07FF62E3813E8h)  
	Mul(3, 7);// 与非模板函数匹配，编译器不要推演
	// 00007FF62E3818E6  call        Mul<int> (07FF62E3813EDh)  
	Mul<int>(9, 2);// 调用编译器推演的版本

	return 0;
}

2. 对于非模板函数和同名的模板函数，如果其他条件都相同，在调用时会优先调用非模板函数而不会实例化。如果模板可以产生一个更好匹配的函数，则选择模板

// 处理int类型的加法函数
int Add(const int left, const int right)
{
	return left + right;
}

// 通用加法模板函数
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(const T1 left, const T2 right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	// 00007FF7E02318D6  call        Add (07FF7E02313F7h)  
	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
	// 00007FF7E02318E9  call        Add<int,double> (07FF7E02313F2h)  
	Add(1, 2.1);// 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

	return 0;
	
}

3. 模板函数不允许自动转换类型，但普通函数可以

3. 类模板

3.1 类模板定义

template<class T1, class T2,...> class 类模板名{};

// 动态顺序表
// 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
template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{
	}

	// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
	~Vector();

	void PushBack(const T& data)；
		void PopBack()；
		// ...

		size_t Size() { return _size; }

	T& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos < _size);
		return _pData[pos];
	}

private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

3.2 类模板实例化

类模板实例化需要在类模板名字后面跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

// Vector类名 Vector<int>才是类型
Vector<int> t1;
Vector<double> t2;