C++--模版初阶

第四讲 模版初阶

1. 泛型编程

1. 1 问题引入

在C语言阶段，要实现一个通用的交换函数我们只能通过定义对应不同参数类型的多个函数来实现，而且各函数的函数名不能相同，比如 Swapi、Swapd、Swapc…

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;
}

到了C++阶段，就可以通过函数重载来定义多个参数类型不同但函数名相同的函数来实现，但是函数重载仍有以下几个缺陷：

• 重载的函数仅仅是参数类型不同，代码复用率比较低，并且只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数。
• 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

为了弥补以上功能的不足，C++提出了泛型编程的概念。

1.2 具体介绍

在C++中，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）。

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。

然而模版一共分为两类：函数模版、类模版。

2. 函数模版

2.1 函数模版概念

函数模版代表了一个函数家族，该函数模版与类型无关，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。

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器在使用时用于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由我们做的重复的事情交给了编译器去做。

2.2 函数模版格式

模板函数的定义格式如下：

template <class 类型参数1, class 类型参数2, ...>
返回值类型  模板名(形参表)
{
    函数体
}

其中的 class 关键字也可以用 typename 关键字来替换，如下：

template <typename 类型参数1, typename 类型参数2, ...>
返回值类型  模板名(形参表)
{
    函数体
}

上面的 template 为模板关键字，class/typename 关键字用于指定模板参数中的类型，类型参数用于代表该类型 (一般使用 T 作为类型参数)

代码示例：

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

不同类型的变量均实现了数据调换的功能。

2.3 底层原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，所以当实际调用时编译器会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，此过程在编译阶段完成。

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，对于字符类型和整形也是如此。

但是注意，在编译阶段实例化的适用于不同类型的函数并不是一个函数。

2.4 函数模版实例化

**概念：**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。

2.4.1 隐式实例化

隐式实例化：让编译器根据实参推演模版参数的实际类型。

如上图，调用 Add 函数模板时并不需要显式指定 T 为 int 或 double 类型，编译器会根据实参类型自动去推演模板参数的类型，然后实例化出对应函数。

注意：在使用函数模板时需要避免下面这种情况：

上述语句不能通过编译，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 ，编译器会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。

对于上面这种情况一共有三种解决方式：用户对实参进行强转、增加模板参数或者显示实例化。

用户对实参强转：

注意：函数的形参必须用 const 修饰，因为 (int)d1 传递给形参的是一个临时变量，而临时变量具有常性，需要用 const 引用来接收。

增加模版参数：

**注意：**同样这里的返回值到底是 T1 还是 T2 无法确定。

2.4.2 显式实例化

显示实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型。

显式示例化的原理和用户强转类似，只不过这里是编译器自动将 d1 强转为 int 然后传递给形参，或者将 a1 强转为 double 传递给形参；同时，这里函数的形参也必须用 const 修饰因为同样类型转换会创建临时变量，临时变量具有常性。

2.4.5 模版参数匹配原则

• **情况一：**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)
{
	cout << "normal add" << endl;
	return left + right;
}

// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	cout << "template add" << endl;
	return left + right;
}

可以看到，当一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在时，如果不显式实例化，编译器会去调用非模板函数，而不会去实例化模板。如果显示实例化，编译器会调用通过函数模板实例化得到的函数。

另外，显示实例化后程序能够正常运行，也侧面的说明了通过函数模板实例化出的函数与非模板函数 (普通函数) 的函数名不同，否则会发生编译错误。

在这里插入图片描述

• **情况二：**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)
{
	cout << "normal Add" << endl;
	return left + right;
}

// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "template Add" << endl;
	return left + right;
}

**注意：**模版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. 类模版

3.1 类模版概念

以前实现的类和非模板函数一样，有一个缺点就是同一个类只能示例一种类型的对象，这里以 Stack 为例：

typedef int STDateType;
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = (STDateType*)malloc(sizeof(STDateType) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
	}

	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = NULL;
		_top = _capacity = 0;
	}

	void Push(STDateType x)
	{
		_a[_top++] = x;
	}

private:
	STDateType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

上述代码实现了一个 int 类型的栈，虽然在首行中利用宏定义的方式便于后续更换栈中存放的数据的类型，但是这种设定方式是存在缺陷的。

在同一个项目中 STDateType 只能被指定为一种类型，不可以在同一个项目中同时用一个类去存储不同数据类型的数据，所以如果需同时用到多种数据类型的栈就需要针对不同的数据类型分别建立一个栈，这样是十分复杂的。

那么和模板函数一样，程序员也需要一个类模板，使得能够根据同一个模板来实例化出不同的类。

3.2 类模版格式

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

使用类模版，将上面的 Stack 进行改写。

// 注意：Stack不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template <class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
	}

	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = NULL;
		_top = _capacity = 0;
	}

	void Push(T x)
	{
		_a[_top++] = x;
	}

private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

3.3 类模版实例化

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，即类模板必须显示实例化。

类模版不允许传参实例化**（隐式实例化）**，在调用类模版的时候是直接调用构造函数创建这个类的对象，并没有传参的机会，所以只能显示实例化

int main()
{
    //实例化生成对应的类，这里是两个不同的类型 
    Stack<int> st1;
    Stack<double> st2;
    
    return 0;
}

补充：

类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

在之前说过，C++中类名就是类型，但是类模板和普通的类不同，类模板不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具。即只有对类模板进行显示实例化之后编译器才会生成具体的类，而这个类才能够正常使用的类。所以实例化的结果才是真正的类。

Stack -- 类名;
Stack<int> -- 类型;
Stack<double> -- 类型;