C++模板

C++函数模板

在C++中，数据的类型也可以通过参数来传递，在函数定义时可以不指明具体的数据类型，当发生函数调用时，编译器可以根据传入的实参自动推断数据类型。这就是类型的参数化。

值（Value）和类型（Type）是数据的两个主要特征，它们在C++中都可以被参数化。

所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，它所用到的数据的类型（包括返回值类型、形参类型、局部变量类型）可以不具体指定，而是用一个虚拟的类型来代替（实际上是用一个标识符来占位），等发生函数调用时再根据传入的实参来逆推出真正的类型。这个通用函数就称为函数模板（Function Template）。

在函数模板中，数据的值和类型都被参数化了，发生函数调用时编译器会根据传入的实参来推演形参的值和类型。换个角度说，函数模板除了支持值的参数化，还支持类型的参数化。

一但定义了函数模板，就可以将类型参数用于函数定义和函数声明了。说得直白一点，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

模板函数的语法：

template <typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , ...> 返回值类型  函数名(形参列表){
    //在函数体中可以使用类型参数
}

类型参数可以有多个，它们之间以逗号,分隔。类型参数列表以< >包围，形式参数列表以( )包围。

typename关键字也可以使用class关键字替代，它们没有任何区别。C++ 早期对模板的支持并不严谨，没有引入新的关键字，而是用 class 来指明类型参数，但是 class 关键字本来已经用在类的定义中了，这样做显得不太友好，所以后来 C++ 又引入了一个新的关键字 typename，专门用来定义类型参数。不过至今仍然有很多代码在使用 class 关键字，包括 C++ 标准库、一些开源程序等。

下面我们就来实践一下，将上面的四个Swap() 函数压缩为一个函数模板：

#include <iostream>
using namespace std;

//函数模板的定义
template<typename T> void Swap(T *a, T *b){
    T temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main(){
    //交换 int 变量的值
    int n1 = 100, n2 = 200;
    Swap(&n1, &n2); //函数模板的调用
    cout<<n1<<", "<<n2<<endl;
   
    //交换 float 变量的值
    float f1 = 12.5, f2 = 56.93;
    Swap(&f1, &f2);
    cout<<f1<<", "<<f2<<endl;
   
    //交换 char 变量的值
    char c1 = 'A', c2 = 'B';
    Swap(&c1, &c2);
    cout<<c1<<", "<<c2<<endl;
   
    //交换 bool 变量的值
    bool b1 = false, b2 = true;
    Swap(&b1, &b2);
    cout<<b1<<", "<<b2<<endl;

    return 0;
}

运行结果：
200, 100
56.93, 12.5
B, A
1, 0

请读者重点关注第 4 行代码。template是定义函数模板的关键字，它后面紧跟尖括号<>，尖括号包围的是类型参数（也可以说是虚拟的类型，或者说是类型占位符）。typename是另外一个关键字，用来声明具体的类型参数，这里的类型参数就是T。从整体上看，template<typename T>被称为模板头。

模板头中包含的类型参数可以用在函数定义的各个位置，包括返回值、形参列表和函数体；本例我们在形参列表和函数体中使用了类型参数T。

类型参数的命名规则跟其他标识符的命名规则一样，不过使用 T、T1、T2、Type 等已经成为了一种惯例。

定义了函数模板后，就可以像调用普通函数一样来调用它们了。

重载函数模板

 当需要对不同的类型使用同一种算法（同一个函数体）时，为了避免定义多个功能重复的函数，可以使用模板。然而，并非所有的类型都使用同一种算法，有些特定的类型需要单独处理，为了满足这种需求，C++ 允许对函数模板进行重载，程序员可以像重载常规函数那样重载模板定义。

 下面是一个重载函数模板的完整示例：

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T> void Swap(T &a, T &b);  //模板①：交换基本类型的值
template<typename T> void Swap(T a[], T b[], int len);  //模板②：交换两个数组

void printArray(int arr[], int len);  //打印数组元素

int main(){
    //交换基本类型的值
    int m = 10, n = 99;
    Swap(m, n);  //匹配模板①
    cout<<m<<", "<<n<<endl;

    //交换两个数组
    int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int b[5] = { 10, 20, 30, 40, 50 };
    int len = sizeof(a) / sizeof(int);  //数组长度
    Swap(a, b, len);  //匹配模板②
    printArray(a, len);
    printArray(b, len);

    return 0;
}

template<class T> void Swap(T &a, T &b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

template<typename T> void Swap(T a[], T b[], int len){
    T temp;
    for(int i=0; i<len; i++){
        temp = a[i];
        a[i] = b[i];
        b[i] = temp;
    }
}

void printArray(int arr[], int len){
    for(int i=0; i<len; i++){
        if(i == len-1){
            cout<<arr[i]<<endl;
        }else{
            cout<<arr[i]<<", ";
        }
    }
}

运行结果：
99, 10
10, 20, 30, 40, 50
1, 2, 3, 4, 5

模板实参推断过程中的类型转换

对于普通函数（非模板函数），发生函数调用时会对实参的类型进行适当的转换，以适应形参的类型。这些转换包括：

• 算数转换：例如 int 转换为 float，char 转换为 int，double 转换为 int 等。
• 派生类向基类的转换：也就是向上转型。
• const 转换：也即将非 const 类型转换为 const 类型，例如将 char * 转换为 const char *。
• 数组或函数指针转换：如果函数形参不是引用类型，那么数组名会转换为数组指针，函数名也会转换为函数指针。
• 用户自定的类型转换。

对于函数模板，类型转换则受到了更多的限制，仅能进行「const 转换」和「数组或函数指针转换」，其他的都不能应用于函数模板。 

为函数模板显式地指明实参（也就是具体的类型）

函数模板的实参推断是指「在函数调用过程中根据实参的类型来寻找类型参数的具体类型」的过程，这在大部分情况下是奏效的，但是当类型参数的个数较多时，就会有个别的类型无法推断出来，这个时候就必须显式地指明实参。

下面是一个实参推断失败的例子：

template<typename T1, typename T2> void func(T1 a){
    T2 b;
}

func(10);  //函数调用

func() 有两个类型参数，分别是 T1 和 T2，但是编译器只能从函数调用中推断出 T1 的类型来，不能推断出 T2 的类型来，所以这种调用是失败的，这个时候就必须显式地指明 T1、T2 的具体类型。

「为函数模板显式地指明实参」和「为类模板显式地指明实参」的形式是类似的，就是在函数名后面添加尖括号< >，里面包含具体的类型。例如对于上面的 func()，我们要这样来指明实参：

func<int, int>(10);

显式指明的模板实参会按照从左到右的顺序与对应的模板参数匹配：第一个实参与第一个模板参数匹配，第二个实参与第二个模板参数匹配，以此类推。只有尾部（最右）的类型参数的实参可以省略，而且前提是它们可以从传递给函数的实参中推断出来。

在函数模板中使用非类型参数

模板是一种泛型技术，目的是将数据的类型参数化，以增强 C++ 语言（强类型语言）的灵活性。C++ 对模板的支持非常自由，模板中除了可以包含类型参数，还可以包含非类型参数，例如：

template<typename T, int N> class Demo{ };

template<class T, int N> void func(T (&arr)[N]);

template<typename T> void Swap(T a[], T b[], int len);

T 是一个类型参数，它通过class或typename关键字指定。N 是一个非类型参数，用来传递数据的值，而不是类型，它和普通函数的形参一样，都需要指明具体的类型。类型参数和非类型参数都可以用在函数体或者类体中。

当调用一个函数模板或者通过一个类模板创建对象时，非类型参数会被用户提供的、或者编译器推断出的值所取代。

C++类模板

 C++除了支持函数模板，还支持类模板（Class Template）。函数模板中定义的类型参数可以用在函数声明和函数定义中，类模板中定义的类型参数可以用在类声明和类实现中。类模板的目的同样是将数据的类型参数化。

声明类模板的语法为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …>

class 类名{
    //TODO:
};

类模板和函数模板都是以 template 开头（当然也可以使用 class，目前来讲它们没有任何区别），后跟类型参数；类型参数不能为空，多个类型参数用逗号隔开。

一但声明了类模板，就可以将类型参数用于类的成员函数和成员变量了。换句话说，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

请看下面的代码：

template<typename T1, typename T2>  //这里不能有分号
class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const;  //获取x坐标
    void setX(T1 x);  //设置x坐标
    T2 getY() const;  //获取y坐标
    void setY(T2 y);  //设置y坐标
private:
    T1 m_x;  //x坐标
    T2 m_y;  //y坐标
};

上面的代码仅仅是类的声明，我们还需要在类外定义成员函数。在类外定义成员函数时仍然需要带上模板头，格式为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …>
返回值类型 类名<类型参数1 , 类型参数2, ...>::函数名(形参列表){
    //TODO:
}

第一行是模板头，第二行是函数头，它们可以合并到一行，不过为了让代码格式更加清晰，一般是将它们分成两行。

下面就对 Point 类的成员函数进行定义：

template<typename T1, typename T2>  //模板头
T1 Point<T1, T2>::getX() const /*函数头*/ {
    return m_x;
}

template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setX(T1 x){
    m_x = x;
}

template<typename T1, typename T2>
T2 Point<T1, T2>::getY() const{
    return m_y;
}

template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setY(T2 y){
    m_y = y;
}

观察代码，除了 template 关键字后面要指明类型参数，类名 Point 后面也要带上类型参数，只是不加 typename 关键字了。另外需要注意的是，在类外定义成员函数时，template 后面的类型参数要和类声明时的一致。

使用类模板创建对象

上面的两段代码完成了类的定义，接下来就可以使用该类创建对象了。使用类模板创建对象时，需要指明具体的数据类型。请看下面的代码：

Point<int, int> p1(10, 20);

Point<int, float> p2(10, 15.5);

Point<float, char*> p3(12.4, "东经180度");

与函数模板不同的是，类模板在实例化时必须显式地指明数据类型，编译器不能根据给定的数据推演出数据类型。

除了对象变量，我们也可以使用对象指针的方式来实例化：

Point<float, float> *p1 = new Point<float, float>(10.6, 109.3);

Point<char*, char*> *p = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");

需要注意的是，赋值号两边都要指明具体的数据类型，且要保持一致。

实例：用类模板实现可变长数组

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
template <class T>
class CArray
{
    int size; //数组元素的个数
    T *ptr; //指向动态分配的数组
public:
    CArray(int s = 0);  //s代表数组元素的个数
    CArray(CArray & a);
    ~CArray();
    void push_back(const T & v); //用于在数组尾部添加一个元素v
    CArray & operator=(const CArray & a); //用于数组对象间的赋值
    int length() { return size; }
    T & operator[](int i)
    {//用以支持根据下标访问数组元素，如a[i] = 4;和n = a[i]这样的语句
        return ptr[i];
    }
};
template<class T>
CArray<T>::CArray(int s):size(s)
{
     if(s == 0)
         ptr = NULL;
    else
        ptr = new T[s];
}
template<class T>
CArray<T>::CArray(CArray & a)
{
    if(!a.ptr) {
        ptr = NULL;
        size = 0;
        return;
    }
    ptr = new T[a.size];
    memcpy(ptr, a.ptr, sizeof(T ) * a.size);
    size = a.size;
}
template <class T>
CArray<T>::~CArray()
{
     if(ptr) delete [] ptr;
}
template <class T>
CArray<T> & CArray<T>::operator=(const CArray & a)
{ //赋值号的作用是使"="左边对象里存放的数组，大小和内容都和右边的对象一样
    if(this == & a) //防止a=a这样的赋值导致出错
    return * this;
    if(a.ptr == NULL) {  //如果a里面的数组是空的
        if( ptr )
            delete [] ptr;
        ptr = NULL;
        size = 0;
        return * this;
    }
     if(size < a.size) { //如果原有空间够大，就不用分配新的空间
         if(ptr)
            delete [] ptr;
        ptr = new T[a.size];
    }
    memcpy(ptr,a.ptr,sizeof(T)*a.size);   
    size = a.size;
     return *this;
}
template <class T>
void CArray<T>::push_back(const T & v)
{  //在数组尾部添加一个元素
    if(ptr) {
        T *tmpPtr = new T[size+1]; //重新分配空间
    memcpy(tmpPtr,ptr,sizeof(T)*size); //拷贝原数组内容
    delete []ptr;
    ptr = tmpPtr;
}
    else  //数组本来是空的
        ptr = new T[1];
    ptr[size++] = v; //加入新的数组元素
}
int main()
{
    CArray<int> a;
    for(int i = 0;i < 5;++i)
        a.push_back(i);
    for(int i = 0; i < a.length(); ++i)
        cout << a[i] << " ";   
    return 0;
}

 模板所支持的类型是宽泛的，没有限制的，我们可以使用任意类型来替换，这种编程方式称为泛型编程（Generic Programming）。相应地，可以将参数 T 看做是一个泛型，而将 int、float、string 等看做是一种具体的类型。

C++ 模板有着复杂的语法，可不仅仅是前面两节讲到的那么简单，它的话题可以写一本书。C++ 模板也非常重要，整个标准库几乎都是使用模板来开发的，STL 更是经典之作。

STL（Standard Template Library，标准模板库）就是 C++ 对数据结构进行封装后的称呼。

在类模板中使用非类型参数

C/C++ 规定，数组一旦定义后，它的长度就不能改变了；换句话说，数组容量不能动态地增大或者减小。这样的数组称为静态数组（Static array）。静态数组有时候会给编码代码不便，我们可以通过自定义的 Array 类来实现动态数组（Dynamic array）。所谓动态数组，是指数组容量能够在使用的过程中随时增大或减小。

动态数组的完整实现代码如下

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
using namespace std;

template<typename T, int N>
class Array{
public:
    Array();
    ~Array();
public:
    T & operator[](int i);  //重载下标运算符[]
    int length() const { return m_length; }  //获取数组长度
    bool capacity(int n);  //改变数组容量
private:
    int m_length;  //数组的当前长度
    int m_capacity;  //当前内存的容量（能容乃的元素的个数）
    T *m_p;  //指向数组内存的指针
};

template<typename T, int N>
Array<T, N>::Array(){
    m_p = new T[N];
    m_capacity = m_length = N;
}

template<typename T, int N>
Array<T, N>::~Array(){
    delete[] m_p;
}

template<typename T, int N>
T & Array<T, N>::operator[](int i){
    if(i<0 || i>=m_length){
        cout<<"Exception: Array index out of bounds!"<<endl;
    }
    return m_p[i];
}

template<typename T, int N>
bool Array<T, N>::capacity(int n){
    if(n > 0){  //增大数组
        int len = m_length + n;  //增大后的数组长度
        if(len <= m_capacity){  //现有内存足以容纳增大后的数组
            m_length = len;
            return true;
        }else{  //现有内存不能容纳增大后的数组
            T *pTemp = new T[m_length + 2 * n * sizeof(T)];  //增加的内存足以容纳 2*n 个元素
            if(pTemp == NULL){  //内存分配失败
                cout<<"Exception: Failed to allocate memory!"<<endl;
                return false;
            }else{  //内存分配成功
                memcpy( pTemp, m_p, m_length*sizeof(T) );
                delete[] m_p;
                m_p = pTemp;
                m_capacity = m_length = len;
            }
        }
    }else{  //收缩数组
        int len = m_length - abs(n);  //收缩后的数组长度
        if(len < 0){
            cout<<"Exception: Array length is too small!"<<endl;
            return false;
        }else{
            m_length = len;
            return true;
        }
    }
}


int main(){
    Array<int, 5> arr;

    //为数组元素赋值
    for(int i=0, len=arr.length(); i<len; i++){
        arr[i] = 2*i;
    }
   
    //第一次打印数组
    for(int i=0, len=arr.length(); i<len; i++){
        cout<<arr[i]<<" ";
    }
    cout<<endl;
   

    //扩大容量并为增加的元素赋值
    arr.capacity(8);
    for(int i=5, len=arr.length(); i<len; i++){
        arr[i] = 2*i;
    }

    //第二次打印数组
    for(int i=0, len=arr.length(); i<len; i++){
        cout<<arr[i]<<" ";
    }
    cout<<endl;

    //收缩容量
    arr.capacity(-4);

    //第三次打印数组
    for(int i=0, len=arr.length(); i<len; i++){
        cout<<arr[i]<<" ";
    }
    cout<<endl;

    return 0;
}

模板实例化

模板（Templet）并不是真正的函数或类，它仅仅是编译器用来生成函数或类的一张“图纸”。模板不会占用内存，最终生成的函数或者类才会占用内存。由模板生成函数或类的过程叫做模板的实例化（Instantiate），相应地，针对某个类型生成的特定版本的函数或类叫做模板的一个实例（Instantiation）。

在学习模板以前，如果想针对不同的类型使用相同的算法，就必须定义多个极其相似的函数或类，这样不但做了很多重复性的工作，还导致代码维护困难，用于交换两个变量的值的 Swap() 函数就是一个典型的代表。而有了模板后，这些工作都可以交给编译器了，编译器会帮助我们自动地生成这些代码。从这个角度理解，模板也可以看做是编译器的一组指令，它命令编译器生成我们想要的代码。

模板的实例化是按需进行的，用到哪个类型就生成针对哪个类型的函数或类，不会提前生成过多的代码。也就是说，编译器会根据传递给类型参数的实参（也可以是编译器自己推演出来的实参）来生成一个特定版本的函数或类，并且相同的类型只生成一次。实例化的过程也很简单，就是将所有的类型参数用实参代替。

例如，给定下面的函数模板和函数调用：

template<typename T> void Swap(T &a, T &b){
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}

int main(){
int n1 = 100, n2 = 200, n3 = 300, n4 = 400;
float f1 = 12.5, f2 = 56.93;

Swap(n1, n2); //T为int，实例化出 void Swap(int &a, int &b);
Swap(f1, f2); //T为float，实例化出 void Swap(float &a, float &b);
Swap(n3, n4); //T为int，调用刚才生成的 void Swap(int &a, int &b);

return 0;
}

编译器会根据不同的实参实例化出不同版本的 Swap() 函数。对于Swap(n1, n2)调用，编译器会生成并编译一个 Swap() 版本，其中 T 被替换为 int：

void Swap(int &a, int &b){
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

对于Swap(f1, f2)调用，编译器会生成另一个 Swap() 版本，其中 T 被替换为 float。对于Swap(n3, n4)调用，编译器不会再生成新版本的 Swap() 了，因为刚才已经针对 int 生成了一个版本，直接拿来使用即可。

另外需要注意的是类模板的实例化，通过类模板创建对象时并不会实例化所有的成员函数，只有等到真正调用它们时才会被实例化；如果一个成员函数永远不会被调用，那它就永远不会被实例化。这说明类的实例化是延迟的、局部的，编译器并不着急生成所有的代码。

基于传统的编程思维，初学者往往也会将模板（函数模板和类模板）的声明和定义分散到不同的文件中，以期达到「模块化编程」的目的。但事实证明这种做法是不对的，程序员惯用的做法是将模板的声明和定义都放到头文件中。

模板并不是真正的函数或类，它仅仅是用来生成函数或类的一张“图纸”，在这个生成过程中有三点需要明确：

• 模板的实例化是按需进行的，用到哪个类型就生成针对哪个类型的函数或类，不会提前生成过多的代码；
• 模板的实例化是由编译器完成的，而不是由链接器完成的；
• 在实例化过程中需要知道模板的所有细节，包含声明和定义。

「不能将模板的声明和定义分散到多个文件中」的根本原因是：模板的实例化是由编译器完成的，而不是由链接器完成的，这可能会导致在链接期间找不到对应的实例。

类模板的显式实例化

类模板的显式实例化和函数模板类似。以上节的 Point 类为例，针对char*类型的显式实例化（定义形式）代码为：

template class Point<char*, char*>;

相应地，它的声明形式为：

extern template class Point<char*, char*>;

不管是声明还是定义，都要带上class关键字，以表明这是针对类模板的。

另外需要注意的是，显式实例化一个类模板时，会一次性实例化该类的所有成员，包括成员变量和成员函数。

有了类模板的显式实例化，就可以将类模板的声明和定义分散到不同的文件中了，下面我们就来修复上节的代码。

point.cpp 源文件：

#include <iostream>
#include "point.h"
using namespace std;

template<class T1, class T2>
void Point<T1, T2>::display() const{
    cout<<"x="<<m_x<<", y="<<m_y<<endl;
}

//显式实例化定义
template class Point<char*, char*>;
template class Point<int, int>;

point.h 源码：

#ifndef _POINT_H
#define _POINT_H

template<class T1, class T2>
class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const{ return m_x; }
    void setX(T1 x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; };
    void setY(T2 y){ m_y = y; };
    void display() const;
private:
    T1 m_x;
    T2 m_y;
};

#endif

main.cpp 源码：

#include <iostream>
#include "point.h"
using namespace std;

//显式实例化声明（也可以不写）
extern template class Point<char*, char*>;
extern template class Point<int, int>;

int main(){
    Point<int, int> p1(10, 20);
    p1.setX(40);
    p1.setY(50);
    cout<<"x="<<p1.getX()<<", y="<<p1.getY()<<endl;

    Point<char*, char*> p2("东京180度", "北纬210度");
    p2.display();

    return 0;
}

总结

函数模板和类模板的实例化语法是类似的，我们不妨对它们做一下总结：

extern template declaration;  //实例化声明
template declaration;  //实例化定义

对于函数模板来说，declaration 就是一个函数原型；对于类模板来说，declaration 就是一个类声明。