C++_模板初阶

【本节目标】

• 1. 泛型编程
• 2. 函数模板
• 3. 类模板

1. 泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

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，但是有一下几个不好的地方：

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代码呢？

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

2.1 函数模板概念

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。

2.2 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){}

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)

2.3 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。

2.4 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。

• 隐式实例化

• 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

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。

2.5 模板参数的匹配原则

• 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

• 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
}

• 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。

3. 类模板

3.1 类模板的定义格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn> 
class 类模板名
{
 	// 类内成员定义
};  

示例：

3.2 对于模板类的额外要求

对于模板类，成员函数进行分离定义还需要：

1. 重复模板声明： 每个成员函数前必须有template。
2. 显式指定模板参数： 类名后必须跟（如XingC::vector）。
3. 命名空间限定： 使用XingC::vector指定类的完整路径。

注：这是 C++ 语法的强制要求，确保编译器能正确解析类和函数的作用域关系。

最后因为模板类的成员函数本身也是模板，需要完整的模板上下文才能正确实例化。

3.3 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。

 // Vector类名，Vector<int>才是类型
 Vector<int> s1;
 Vector<double> s2;

4. 关于模板参数T作为类型的使用

错误演示：

编译器会报错，因为它无法确定 XingC::vector::iterator 是一个类型。在模板解析阶段，T 是未知的，因此编译器无法知道 vector 是否真的包含一个名为 iterator 的类型。

修改方案：

为什么需要 typename？

在 C++ 模板中，当引用一个依赖于模板参数的嵌套类型时，必须使用 typename 关键字。这是因为：

• 依赖名称（Dependent Names）： iterator 依赖于模板参数 T，因此称为 “依赖名称”。
• 默认假设为非类型： 编译器默认假设依赖名称不是类型，除非你使用 typename 显式指定。

5. 总结

• 类： 做一件具体的事（如存 int 数）。
• 模板类： 做一类事（存任意类型数据，用 <类型> 定制）。

最后，本章主要简单了解模板的使用，深入部分会在下面的进阶进行学习。

本章完~