【C++】template模板--函数模板与类模板

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前言

前面的文章我们已经学习了很多关于C++语法的知识，今天我们主要来介绍一下C++中关于模板的知识，有了模板，我们的C++程序可以更加简便。

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一、泛型编程

我们先来思考一个问题，如果我们要写一个代码用来交换两个整形，我们会这样写

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

那么如果我们要交换两个浮点数，我们会这样写

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

如果一个程序中我们既要交换整型又要交换浮点数，我们就要写这两个函数，但我们仔细观察会发现，这两个函数除了类型不一样外，其他的内容都一样，所以如果我们能写一个与类型无关的交换函数，在使用时自动匹配上相应的类型，就会显得很方便，这就是泛型编程。

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。

二、函数模板

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.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){}

代码如下（示例）：

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

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)

3.函数模板原理

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。

4.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。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

4.1隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}
int main()
{
    int a1 = 10, a2 = 20;
    double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    Add(a1, a2);
    Add(d1, d2);
    return 0;
}

以上的写法都是正确的，但如果你写了下面的代码就会报错

Add(a1, d1);

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。
注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作

解决方法

1. 用户自己来强制转化
2. 使用显式实例化 Add(a, (int)d);

4.2 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(void)
{
    int a = 10;
    double b = 20.0;
    
    // 显式实例化
    Add<int>(a, b);
    return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

5.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，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数，例如：

// 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);      
      Add<int>(1, 2);  
 }

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，例如

// 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. 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

三.类模板

1.类模板定义格式

与函数模板相类似，类模板定义方式如下

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

template<typename T>
class Stack
{
public:
 Stack(size_t capacity = 4)
 {
	 _array = new T[capacity];
	 _capacity = capacity;
	 _size = 0;
 }
 void Push(const T& data);
private:
	 T* _array;
	 size_t _capacity;
	 size_t _size;
};
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	 _array[_size] = data;
	 ++_size;
}

模版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

2.类模板实例化

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。

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1;   
Stack<double> st2; 

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总结

以上就是今天要介绍的内容，本文仅仅简单介绍了模板的使用，希望本文对你有帮助，期待你的一键三连。