C++:函数模板，类模板

我们在平常编写C代码的时候，总是会因为类型的原因而需要重复的去写实现思路一样的函数，比如我们常用的swap函数。而在C++中，之前我们已经了解过函数重载这一概念。但函数重载一旦二者类型不同，便需要重新再写一个重载去解决问题，而函数模板便解决了这个麻烦。

一,函数模板

1.1函数模板概念与格式

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。需要注意的是，函数模板本质是一个蓝图，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，这种创造函数的行为在编译时发生。所以从这个角度上来看，一般我们叫函数模板较为合适。

函数模板格式如下：

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)。 

补充：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。

1.2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。函数模板的实例化我们分为隐式和显示实例化。

 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);
	/*
	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，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅Add(a1, d1);
*/
// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
	Add(a, (int)d);
	return 0;
}

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。

 1.3模板参数的匹配原则

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。

// 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
}

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。 

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。

4.对与函数模板，编译器会优先调用最符合当前情况下的函数模板

比如我们传了一个int类型与double类型的数，那么编译器会优先按照下面的模板去实例化函数。

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


template<class T,class T1>
void Swap(T a, T1 b)
{
	T c = a;
	a = b;
	b = c;
}

二,类模板 

 2.1 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
};
#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
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;
};
// 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，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double
	return 0;
}

2.2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真正的类。

int main()
{
	Stack<int> st1;
	return 0;
}

2.3类模板的缺省值 

函数模板不可以给缺省值，而类模板可以，一个栈给缺省值的例子如下：

template<int N,class T = int>
class Stack
{
public:
	Stack()
		:top(0),
		capacity(N)
	{
		arr = new T[N];
		memset(arr, 0, N * sizeof(T));
	}
private:
	T* arr;
	int top;
	int capacity;
};


int main()
{
	int a = 10;
	int b = 1000;
	Swap(a, b);
	cout << a << ' ' << b << endl;
	Stack<10> st1;
	return 0;
}

如果模板参数具有缺省值，则该参数后的所有参数也必须具有缺省值。模板参数仅能具有一个缺省值。比如说我们把上面例子中模板参数位置互换下，编译器便会报错无法通过。 

这里补充个概念：

模板参数可分为类型形参和非类型形参。
类型形参： 出现在模板参数列表中，跟在class或typename关键字之后的参数类型名称。
非类型形参： 用一个常量作为类（函数）模板的一个参数，在类（函数）模板中可将该参数当成常量来使用。

注意：

1.非类型模板参数只允许使用整型家族，浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。

2.非类型的模板参数在编译期就需要确认结果，因为编译器在编译阶段就需要根据传入的非类型模板参数生成对应的类或函数。

由于2.3部分为C++的进阶部分，这里我们暂时不细致的去介绍。