【C++】模板

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C++专栏：C++程序设计

一、模板初阶

1、泛型编程

        泛型编程指的是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。

        那么，如何实现一个交换函数呢？

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？

        如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。这个所谓的模具就是泛型编程。

2、函数模板

2.1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){}

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)，即

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

2.3函数模版的原理 

        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函数模版的实例化

        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。

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);
    Add(a1, d1); //error
}

        注意：倒数第二行代码不能通过编译，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。

        此时有两种处理方式：

// 1、将其中一个变量的类型强制转换，与另一个变量相同
Add(a, (int)d);

// 2、使用显示实例化(后文)

---

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。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，因此在实际开发中，应避免出现类似的问题。

2.5模版参数的匹配规则

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，则调用非模版函数

// 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); // 显示实例化则调用编译器特化的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

// 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
}

        如果参数一个是int类型，一个是double类型，那么编译器会自动函数模板实例化，如果不用函数模板那么非函数模板还要进行强制类型转换。

---

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

3、类模板

3.1类模版的定义格式

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

3.2类模板实例化（栈）

#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
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;
}

        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; // int
Stack<double> st2; // double