大话C++：第25篇 函数模板

1 模板概述

C++模板是C++编程语言中的一种特性，它允许程序员创建独立于任何特定类型的代码。模板是泛型编程的基础，是创建泛型函数或类的蓝图（公式）。通过使用模板，可以编写出适用于多种数据类型的代码，而无需为每一种类型分别编写代码。

C++模板有两种类型：函数模板和类模板。

• 函数模板：函数模板是用来创建通用函数的模板，它可以接受不同类型的参数，并根据参数类型生成相应的函数实例。函数模板的声明或定义通常在全局、命名空间或类范围内进行，不能在局部范围或函数内进行。

• 类模板：类模板是用来创建通用类的模板，它可以接受一个或多个类型参数，并根据这些参数生成相应的类实例。类模板的使用方式与函数模板类似，只是它应用于类而不是函数。

模板的声明或定义只是提供了一个函数或类的语法框架，而没有给出具体的实现。模板实例化是指从模板构建出一个真正的函数或类的过程，用具体类型代替模板参数的过程叫做实例化，从而产生一个模板实例。

2 函数模板

2.1 函数模板定义

函数模板定义在C++中创建了一个可以处理多种数据类型的通用函数框架。通过函数模板，可以编写一个函数，使其能够接受不同类型的参数，并根据这些参数的类型生成相应的函数实例。

函数模板的定义通常包括以下几个部分：

• template 关键字：它告诉编译器接下来的代码将定义一个模板。

• 模板参数列表：用尖括号 < > 包围，里面包含一个或多个模板参数。这些参数是表示类型的占位符。

• 函数返回类型：它可以是任何类型，包括模板参数类型。

• 函数名：与普通函数一样，函数模板也需要一个名称。

• 函数参数列表：它定义了函数接受的参数，这些参数的类型可以是模板参数类型或其他类型。

函数模板的语法格式：

template <typename 类型参数1, typename 类型参数2, ...>
返回值类型 函数名(参数列表) 
{
    // 函数体
}

其中，

• template 关键字：它标识了接下来的代码定义了一个模板。

• <typename 类型参数1, typename 类型参数2, ...>：这是模板参数列表，用尖括号 < > 包围。typename（或者可以用class代替，它们是等价的）后面跟着的是类型参数的名称，这些名称是占位符，代表实际类型。可以有一个或多个类型参数。

• 返回值类型：指定函数返回值的类型，这可以是任何有效的C++类型，包括模板参数类型。

• 函数名：这是模板函数的名称。

• 参数列表：指定函数接受的参数类型和名称。这些参数的类型可以是模板参数类型或其他任何有效的C++类型。

2.2 函数模板实例化

函数模板实例化是C++模板编程中的一个关键步骤，它涉及到从模板生成具体函数的过程。在使用函数模板时，编译器会根据提供的实际参数类型来生成相应的函数实例。

函数模板的实例化可以分为两种：

• 隐式实例化

• 显式实例化。

2.2.1 隐式实例化

函数模板隐式实例化是C++模板编程中的一种机制，它允许编译器在使用函数模板时自动为我们生成具体的函数实例。隐式实例化发生在编译期间，当编译器遇到一个函数调用，而该调用与现有的函数都不匹配时，编译器会尝试查找是否有合适的函数模板可以实例化以匹配该调用。

#include <iostream>

// 函数模板声明
template<typename T>
T add(T a, T b) 
{
    return a + b;
}

int main() 
{
    // 隐式实例化 int 版本的 add
    int sum = add(1, 2);
    std::cout << "The sum is: " << sum << std::endl;

    // 隐式实例化 double 版本的 add
    double dSum = add(1.0, 2.0);
    std::cout << "The double sum is: " << dSum << std::endl;

    return 0;
}

函数模板隐式实例化的主要过程：

• 函数调用不匹配：当我们尝试调用一个函数，而编译器在当前作用域内找不到与提供的参数类型和数量完全匹配的函数时，编译器会开始查找是否有可用的函数模板。

• 模板参数推导：编译器会检查所有可用的函数模板，并尝试通过提供的实际参数来推导模板参数的类型。例如，上述一个函数模板template<typename T> T add(T a, T b)，而我们调用了add(1,2);，编译器会自动推导出T应该是int类型。

• 实例化：一旦编译器成功推导出模板参数的类型，它就会生成一个该类型的函数实例。在这个例子中，编译器会生成一个处理int类型参数的add函数实例。

• 编译和链接：生成的函数实例随后被编译并链接到最终的程序中。

注意，隐式实例化的好处是我们不需要手动为每一种类型都编写一个函数，编译器会自动为我们处理这些细节。然而，这也意味着如果编译器不能成功推导出模板参数的类型，或者模板的实例化导致无效的代码，编译器会生成错误消息。

2.2.2 显式实例化

函数模板的显式实例化（explicit instantiation）是我们明确告诉编译器为特定类型生成函数模板实例的过程。通常，编译器会在需要时隐式地实例化函数模板，但在某些情况下，我们可能希望提前进行实例化，或者确保某个特定类型的实例被生成。

显式实例化的语法是在函数模板声明之后，使用template关键字后跟具体的类型参数来声明和定义实例。这通常在源文件的实现部分进行，而不是在头文件中。

显式实例化的声明形式如下：

// 显式实例化声明
template 返回值类型 函数名<具体类型>(参数列表);

上述声明形式并不常见，因为它实际上只是告诉编译器在其他地方有一个该类型的显式实例化定义。更常见的是直接提供显式实例化的定义：

// 显式实例化定义
template 返回值类型 函数名<具体类型>(参数列表) 
{
    // 这里通常是函数模板的定义，但实际上在显式实例化时，
    // 编译器已经知道了模板的定义，因此这里可以留空或者省略。
}

具体代码示例：

// file: example.h
#ifndef __EXAMPLE_H__
#define __EXAMPLE_H__

template<typename T>
void Show(T value) 
{
    std::cout << "Value: " << value << std::endl;
}

#endif // EXAMPLE_H

// file: example.cpp
#include "example.h"
#include <iostream>

// 显式实例化 print 函数模板的 int 类型版本
template void Show<int>(int value);

// 注意：上面的语句实际上是一个定义，尽管它看起来像一个声明。
// 它告诉编译器为 int 类型生成 Show 函数的实例。

// file: main.cpp
#include "example.h"

int main() 
{
    // 将使用显式实例化的 Show<int> 函数
    Show(42); 
    return 0;
}

由于example.cpp文件显式实例化了Show函数模板的int类型版本。因此，无论Show函数是否在其他地方被隐式实例化，编译器都会为int类型生成一个Show函数的实例。

显式实例化的好处包括：

• 编译时间优化：通过提前实例化常用的模板类型，可以分散编译时间负载，因为模板实例化通常发生在模板被使用的地方。

• 二进制兼容性：显式实例化可以确保在不同的编译单元之间保持二进制兼容性，因为模板的实例化是由其定义控制的。

• 隐藏模板定义：在某些情况下，我们可能不希望暴露模板的完整定义，但仍然希望提供某些特定类型的实例。显式实例化允许我们在源文件中实例化模板，而只将实例化的声明暴露给使用者。

注意，显式实例化并不常见，除非在处理大型项目、库或者需要特别控制编译和链接的情况下。在大多数情况下，隐式实例化足够满足需求，并且更简单、更直观。

3 函数模板注意事项

在使用C++函数模板时，需要注意以下事项：

• 模板参数推导：当编译器遇到一个函数调用，并且该调用与现有的函数不匹配时，它会尝试查找是否有合适的函数模板可以实例化以匹配该调用。编译器会自动推导模板参数的类型，但有时候推导可能会失败，特别是当有多个参数涉及到不同的类型时。在这种情况下，可能需要显式指定模板参数。

• 部分特化：C++允许对函数模板进行部分特化，但这通常是通过类模板的部分特化来间接实现的，因为C++标准并不直接支持函数模板的部分特化。如果你需要对特定类型的参数使用不同的实现，可以考虑使用函数重载或者类模板的部分特化。

• 模板参数与函数参数：模板参数是定义模板时使用的占位符类型，而函数参数是函数调用时传递的实际参数。模板参数决定了函数模板可以处理哪些类型的参数，而函数参数则是在每次函数调用时确定的具体值。

• 编译时多态性：函数模板实例化发生在编译时，而不是运行时。这意味着模板实例化会为每个不同的类型生成不同的函数代码。这与虚函数和运行时多态性不同，后者是在程序运行时根据对象的实际类型来动态绑定函数调用。

• 模板实例化与链接：模板的声明和定义通常需要在同一个文件中，或者在使用模板的文件中可见，因为模板不是常规的函数或类，它们在编译时需要看到完整的定义才能实例化。如果模板的定义在不同的编译单元中，可能会导致链接错误。

• 模板参数类型：在编写函数模板时，应确保模板参数类型在模板函数体中的使用是合理的。例如，如果模板参数是一个类型，那么就不能在函数体内部对该类型执行只有特定类型才支持的操作，除非使用了类型特性检查（如std::enable_if）来约束模板参数。

• 模板参数的非类型参数：除了类型参数外，函数模板还可以接受非类型参数，如整数或枚举值。这些非类型参数可以为模板函数提供额外的灵活性。

• 模板的显式实例化：虽然编译器通常会自动进行隐式实例化，但在某些情况下，程序员可能希望显式实例化模板，以确保为特定类型生成实例，或者控制实例化的时间和位置。

• 模板的编译时间开销：由于模板实例化是在编译时进行的，并且每个不同的类型通常都会导致一个新的函数实例被生成，因此使用大量的模板可能会导致编译时间增加和生成的代码体积增大。

• 模板与宏的区别：虽然模板和宏在某些方面都可以用来编写通用代码，但它们之间有根本的区别。模板是类型安全的，生成的是具体的类型化代码，而宏是文本替换，不是类型安全的，并且容易引入难以调试的错误。因此，在C++中，模板通常是更好的选择。

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