C++——模板

一、什么是泛型编程

        在一个工程中，我们应该怎么样提升代码的复用性，或者赋予一个函数通用性呢？比如说要实现一个通用的交换函数。使用函数重载可以实现，但是重载函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，而且每个自定义类型的参数就需要增加对应的重载函数。

        在工业中，要大规模的生产一批零件，那么首要就是生成一个模具。那么，能不能告诉编译器一个模板，让编译器根据需要自己来生成具体的代码呢？

        在C++中，也存在着这样一个模具，根据给的参数的类性来生成具体类型的代码。

        泛型编程：编写出与类型无关的通用代码，是代码服用的一种手段。模板是泛型编程的基础。C++中的模板分为函数模板和类模板两大类。

二、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)//函数原型
    {}

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tem = x;
	x = y;
	y = tem;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	double m = 1.0;
	double n = 2.3;
	Swap(a, b);
	Swap(m, n);
}

        typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class，但是不能使用struct代替class。

2.3函数模板原理         

        函数模板是一个蓝图，它本身不是函数，是编译器使用时产生特定具体类型函数的模具。所以模板其实就是将本应该程序员做的重复的事交给编译器去做。

        在编译器编译阶段，编译器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。

2.4函数模板实例化

        用不同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：隐式实例化和显示实例化。

        隐式实例化：平时的正常使用就是隐式实例化。

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tem = x;
	x = y;
	y = tem;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	double m = 1.0;
	double n = 2.3;
	Swap(a, b);
	Swap(m, n);
    Swap(a, n);//能通过编译吗？
    Swap(a,(int)n);//这样可以吗？
}

         Swap(a, n)这条语句是没法编译通过的，因为在编译器在看到该实例化时，需要推演其实参类型，通过实参a将T推演为int，通过n将T推演为double，但是模板参数列表只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T定为int还是double，因此报错。

        注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作。

        如果像Swap(a,(int)n)一样手动进行类型转换也不一定能编译通过，因为定义的模板中使用的时引用，而(int)n是一个右值临时对象，而不是左值引用。C++不允许将右值引用绑定到非const的左值引用上。

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void ADD(const T& x, const T& y)//void ADD(T x, T y)可以编译通过
{
	cout << x + y;
}

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	double m = 1.2;
	double n = 4.5;

	ADD(a, b);
	ADD(a, (int)n);//这样是可以的
}

        显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void ADD(const T& x, const T& y)
{
	cout << x + y;
}

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	double m = 1.2;
	double n = 4.5;

	ADD(a, b);
	ADD<int>(a, n);
}

2.5模板函数的匹配原则

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。

#include<iostream>
using namespace std;

// 专门处理int的加法函数
void Add(int left, int right)
{
	cout << left + right << endl;
}
// 通用加法函数
template<class T>
void Add(T left, T right)
{
	cout << left + right << endl;
}
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
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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。

#include<iostream>
using namespace std;
// 专门处理int的加法函数
void Add(int left, int right)
{
	cout << left + right << endl;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
void Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << left + right << endl;
}
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
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

3.模板函数不允许自动类型转换，但是普通函数可以进行自动类型转换。

三、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
};

一个类模板： 

template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	~Vector();
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
template <class T>//类模板函数在类外进行定义时，需要加模板参数列表
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

3.2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。

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

四、模板进阶

4.1非类型模板参数

        模板参数可以分为类型形参与非类型形参。

        类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename关键字后的参数类型名称。

        非类型形参：用一个常量作为类的一个参数，在模板中将该参数作为常量来使用。

namespace my_namespace
{
	// 定义一个模板类型的静态数组
	template<class T, size_t N = 10>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }

	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

注意：

        1.浮点数，类对象以及字符串不允许作为非类型模板参数。

        2.非类型的模板参数在编译器就要能够确定结果。

4.2模板的特化

        通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类可能会得到一些错误的结果，需要特殊化处理。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; //可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; //可以比较，结果正确

	Date* p1 = new Date(2022, 7, 16);
	Date* p2 = new Date(2022, 7, 15);

	cout << Less(p1, p2) << endl;

	return 0;
}

        Less(p1,p2)这条语句的两个参数是指针，所以实际比较的是它们地址的大小，所以每次运行这段代码结果可能不同。可以说是模板之外的一种特殊形式，这里就需要模板特化来手动生成一段特殊的代码。模板特化分为函数模板特化与类模板特化。

函数模板特化：

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

template<>//函数模板特化
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

bool Less(Date* left, Date* right)//不特化，直接给出一个具体的函数
{
	return *left < *right;
}

类模板特化：

        全特化：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//类模板的特化 -- 全特化（写死了）
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
};

        类型全部写死了，只有int+double才能走这个模板。

        偏特化：

//将部分模板参数列表中的一部分参数特化
template<class T1>
class Data<T1, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
};

//针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; }
};

类模板特化步骤： 

1. 必须要先有一个基础的类模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 类名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型。

关于类模板特化在C++11中还有一些重要性质，这部分在以后系统学习C++11时再系统的讲。