[C++]模板初阶

[C++]模板初阶

0. 前言

相信绝大多数人都做过ppt,制作ppt时为了省时、高效、高质，可能会去寻找ppt模板，模板能够作为一个好的框架，只需要对框架内部的内容进行替换就能高效、高质量的完成，并且用同一个模板创造出来的东西大同小异。C++中也有模板能够提升编写代码的效率，减少重复代码。

1. 泛型编程

我们常常会遇到以下的场景：需要我们实现交换函数：

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;
}

向上面的代码中，每遇到一个数据类型就要多写一个函数，并且每个函数之间又有很多重复的代码，这样不仅很麻烦，而且使代码的冗余度很高，那么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。

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。

2. 函数模板

2.1 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。

2.2 函数模板格式

template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>

template 返回值类型 函数名(参数列表){}

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)

有了函数模板，前面提到的交换函数只需要写出函数模板就可以了：

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

为了更好的了解函数模板可以通过汇编代码来了解：

通过汇编代码可以看出对于不同的实参，调用的不是同一个函数(符号表地址不同)，函数模板会生成跟实参相应的函数。

C++库内也是使用模板实现的交换函数：

2.3 函数模板的原理

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。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);
 /*
 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
 */
 // 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(a1, (int)d1); //强制转化 
 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;
}

给定模板内的类型，强制编译器在传参时做类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

2.5 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。
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 T>
T Add(T left, T right)
{
 return left + right;
}
void Test()
{
 Add(1, 2); // 编译器调用非模板函数，由于非模板函数匹配，编译器不需要进行实例化操作，编译器会优先调用
 Add<int>(1, 2); // 调用编译器实例化化的Add版本
 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

3. 类模板

3.1 类模板定义格式

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

template<class T>
class Vector
{ 
public :
 //声明在类内，定义在类外
 ~Vector();
 
 Vector(){}
 void PushBack(const T& data)；
 void PopBack()；
 // ...
private:
 T* _pData;
 size_t _size;
 size_t _capacity;
};

// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
 if(_pData)
 delete[] _pData;
 _size = _capacity = 0;
}

3.2 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。

//模拟实现栈类模板
template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capaicty = 4)
	{
		_a = new T[capaicty];
		_top = 0;
		_capacity = capaicty;
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_capacity = _top = 0;
	}

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

int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double

	return 0;
}

注意模板的声明和定义不能写到不同文件中，会产生链接错误。