C++复习专题——泛型编程（模版），包括模版的全特化和偏特化

1.泛型编程

        在未接触模版前，如果我们想实现一个通用的交换函数，那么我们可以通过函数重载来实现

void Swap(int &x,int &y)
{
    int z = x;
    x = y;
    y = z;
}
void Swap(float &x,float &y)
{
    int z = x;
    x = y;
    y = z;
}
void Swap(double &x,double &y)
{
    int z = x;
    x = y;
    y = z;
}


//......

        但这样有一些明显的弊端，首先重载的函数仅仅是类型不同，代码的复用率较低，并且只要有新类型出现，就需要用户自己增加对应的函数

        代码的可维护性较低，一个出错可能所有的重载均出错。

        由此我们的c++大佬引入了泛型编程这个东西，他其实就像一个摸具，通过向这个摸具填入不同的材料来生成不同材料的铸件

        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.模版函数

2.1 函数模版格式

        函数模版的格式

template<typename T1,typename T2,...,typename Tn>
返回值类型 函数名（参数列表）{}

        下面我们通过函数模版来实现交换函数

        注意：在template中我们可以用class替换typename

template<typename T1>
void Swap(T1 &x,T1 &y)
{
    T1 z = x;
    x = y;
    y = z;
}

2.2 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

2.3 函数模版的实例化

        用不同类型的参数使用函数模版时，称为函数模版的实例化。

        模版的实例化分为：隐式实例化和显示实例化

1.隐式实例化：让编译器根据实参推演模版参数的实际类型

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(a1, (int)d1);
    return 0;
}

2.显示实例化：在函数名后的<>中指定模版参数的实际类型

template <class T>
T Add(const T &left, const T &right)
{
    return left + right;
}

int main(void)
{
    int a = 10;
    double b = 20.0;

    // 显式实例化
    Add<int>(a, b);
    return 0;
}

2.4 模版参数的匹配原则

        一个非模版函数可以和一个同名的函数模版同时存在，而且该函数模版还可以被实例化为这个非模版函数

template <class T>
T Add(const T &left, const T &right)
{
    return left + right;
}
int Add(const int &left, const int &right)
{
    return left + right;
}

int main(void)
{
    int a = 10;
    int c = 24;
    double b = 20.0;
    Add<int>(a, b);
    Add(a, c);
    return 0;
}

        对于非模版函数和同名函数模版，如果其他条件相同，在调用时会优先调用非模版函数而不会从该模版产生一个实例，如果模版可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模版。

template <class T1,class T2>
T1 Add(const T1 &left, const T2 &right)
{
    std::cout<<"T1 T2"<<std::endl;
    return left + right;
}


int Add(const int &left, const int &right)
{
    std::cout<<"int int"<<std::endl;
    return left + right;
}

int main(void)
{
    Add(1,2);
    Add(1,2.0);
    return 0;
}

        在第一次调用时因为与非函数模版类型完全匹配，不需要函数模版实例化

        在第二次调用时，模版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

        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 类模版的定义格式

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

        下面我们通过类模版模拟实现一个队列

#include <iostream>
#include <vector>

const int N = 1000000;

template <class T>
class Queue
{
public:
    Queue(int left = 0, int right = 0)
        : _left(left), _right(right)
    {
    }
    bool empty()
    {
        return _right - _left > 0 ? false : true;
    }
    int size()
    {
        return _right - _left;
    }
    void push(T &x)
    {
        _qu[_right++] = x;
    }
    T pop()
    {
        if (empty())
        {
            std::cout << "error" << std::endl;
            return NULL;
        }
        T tmp = _qu[_left++];
        std::cout << tmp << std::endl;
        return tmp;
    }
    T front()
    {
        if (empty())
        {
            std::cout << "error" << std::endl;
            return NULL;
        }
        T tmp = _qu[_left];
        std::cout << tmp << std::endl;
        return tmp;
    }

private:
    int _left;
    int _right;
    T _qu[N];
};

        注意：我这里的代码所有的类内成员函数都在类内定义了，如果只在类内声明而在类外定义，那么在实现时需要带上模版参数列表并指明命名空间和类，详细看下面这份代码的析构函数

template <class T>
class Vector
{
public:
    Vector(size_t capacity = 10)
        : _pData(new T[capacity]), _size(0), _capacity(capacity)
    {
    }

    // 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
    ~Vector();


    T &operator[](size_t pos)
    {
        assert(pos < _size);
        return _pData[pos];
    }

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 类模版的实例化

        类模版实例化与函数模版实例化不同，类模版实例化必须在类模版名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模版的名字并不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

Vector<int> s1; //Vector类名，Vector<int> 才是类型

4.模版进阶

4.1 非类型模版参数

        模版参数分为类型形参与非类型形参

        类型形参即：出现在模版参数列表中·，跟在class或者typename之后的参数类型名称

        非类型形参：就是用一个常量作为类（函数）模版的一个参数，在类（函数）模版中可以将该参数当成常量来使用。

namespace bite
{
    // 定义一个模板类型的静态数组
    template <class T, size_t N = 10>
    class array
    {
    public:
        T &operator[](size_t index) { return _array[index]; }
        const T &operator[](size_t index) const { return _array[index]; }

        size_t size() const { return _size; }
        bool empty() const { return 0 == _size; }

    private:
        T _array[N];
        size_t _size;
    };
}

        注意：1.浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模版参数的

                   2.非类型的模版参数必须在编译期就能确认结果

4.2 模版的特化

        概念：在原模版类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

        分类：函数模版特化、类模版特化

4.2.1 函数模版特化

        函数模版特化的步骤：

                1.必须要先有一个基础的函数模版

                2.关键字template后面接一对空的<>

                3.函数名后跟一对<>,<>中指定需要特化的类型

                4.函数形参，必须要和模版函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

// 函数模板 -- 参数匹配
template <class T>
bool Less(T left, T right)
{
    return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template <>
bool Less<Date *>(Date *left, Date *right)
{
    return *left < *right;
}
int main()
{
    cout << Less(1, 2) << endl;
    Date d1(2022, 7, 7);
    Date d2(2022, 7, 8);
    cout << Less(d1, d2) << endl;
    Date *p1 = &d1;
    Date *p2 = &d2;
    cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
    return 0;
}

        注意：一般情况下如果函数模版遇到不能处理的或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出

bool Less(Date *left, Date *right)
{
    return *left < *right;
}

4.2.2 类模版特化

        类模版特化分为全特化和偏特化

        全特化是将模版参数列表中所有的参数都确定。

template <class T1, class T2>
class Data
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }

private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
template <>
class Data<int, char>
{
public:
    Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }

private:
    int _d1;
    char _d2;
};
void TestVector()
{
    Data<int, int> d1;
    Data<int, char> d2;
}

        偏特化是针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于一下模版类

template <class T1, class T2>
class Data
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }

private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

        我们可以进行一下两种表现形式的偏特化

        1.部分特化：将模版参数类中的一部分参数特化

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }

private:
    T1 _d1;
    int _d2;
};

        2.参数进一步限制

        注意：偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模版参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

// 两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data<T1 *, T2 *>
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }

private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
// 两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data<T1 &, T2 &>
{
public:
    Data(const T1 &d1, const T2 &d2)
        : _d1(d1), _d2(d2)
    {
        cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
    }

private:
    const T1 &_d1;
    const T2 &_d2;
};
void test2()
{
    Data<double, int> d1;        // 调用特化的int版本
    Data<int, double> d2;        // 调用基础的模板
    Data<int *, int *> d3;       // 调用特化的指针版本
    Data<int &, int &> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

小结：

        模版优点：模版复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模版库（STL）因此产生，同时提高了代码的灵活性

        模版缺陷：模版会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长，出现模版编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误