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C++：模版初阶

article 2024/11/14 23:13:59

一、泛型编程

二、函数模版

概念

格式

原理

实例化

模版参数的匹配原则

三、类模版

定义格式

实例化

一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

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

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。

二、函数模版

概念

所谓模板，实际上是建立一个通用函数或类，其类内部的类型和函数的形参类型不具体指定，用一个虚拟的类型来代表，这种通用的方式称为模板，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。

格式

template<typename T1,typename T2,typename T3.......>

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)

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。

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);
    return 0;
}
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);

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。

模版参数的匹配原则

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

// 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
Add函数
 }

三、类模版

定义格式

templateclass 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;
};
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;
}

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。