【C++修炼之路第四章】模板初阶

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引入：

我们平时需要调用这样的函数时，往往需要写不同类型的函数用于匹配操作不同类型变量

void Swap(int& a, int& b) {// ...
}
void Swap(double& a, double& b) {// ...
}
//......

像上面代码中函数重载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

这样显然局限性较大，如何实现一个通用的交换函数呢？

答： C++ 创造了 ”模板“：泛型编程

模板：告诉编译器一个模子，让编译器自己根据不同的类型利用该模子来生成代码

只有类型不同，函数的其他逻辑都相同

这里是根据广泛的类型，写的代码：因此称为泛型编程

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。

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b) {//...
}

1. 函数模板

1.1 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。

1.2 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){}

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)

使用模板写 Swap 函数：

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b) {T t = a;a = b; b = t;
}
int main()
{int a = 10, b = 20; Swap(a, b);double c = 1.1, d = 2.2;Swap(c, d);int* p1 = &a, *p2 = &b;Swap(p1, p2);return 0;
}

1.3 模板的原理：

从底层汇编来看，实际上这几个调用的并不是同一个函数

（调试时，编译器演示出来也可能是假象）

在底层，编译器会识别你参数的类型，根据 template 模板的逻辑，生成一个函数

然后根据参数类型调用对应的函数

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需要什么，编译器生成的函数：叫做模板的示例化

因此，本质没变：该写多少个函数就写多少个，只是编译器帮你写了，你自己不用写，半自动化了

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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，对于其他类型也是如此。

1.4 函数模板的实例化（进一步讲解）

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。

1.4.1 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

在模板的使用中，一个 T 对应一种类型，不能混着用，会报错

举例：

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;
}

在以上代码中写入下面这个操作：

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 还是 double 类型，从而报错

注意：在模板中，编译器一般不会自己进行类型转换操作，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：

Add(a, (int)d);
Add((double)a, (int)d);

2、使用显式实例化

1.4.2 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

就是不让编译器推演，直接显式指定参数类型，

int main(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);Add<double>(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。

或者两两匹配

Add<int, double>(a, b);

有时候一定要显式实例化，如返回值不确定的情况：编译器自己推不出来

前面的函数模板是通过传递的函数参数推演类型，而返回值推不出来

template<class T>
T* func(int a)
{T* p = (T*)operator new(sizeof(T));new(p)T(a);return p;
}int main()
{func(10); // 报错return 0;
}

解决办法：显式实例化

func<int>(10);
func<A>(10); // A 是类名

从这里可以看出，显式实例化的匹配，应该是和这里匹配 template < class T >

1.5 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

即两者可以同时存在，模板也还可以生成一个相同的

// 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

即：优先选非模板函数，如果模板可以生成一个更加匹配的，就选模板这个

有现成的蛋糕就吃现成的，不吃半成品；如果半成品造出来的蛋糕更好吃，那就选半成品这个

// 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
}

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

上面第二点：会自动匹配更加适合的版本（模板），但不代表不能使用非函数模板，这个本身就能类型转换

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return left + right;
}void main()
{Add(1, 2.2);
}

4、关于返回值的问题

（1）返回 T1 ：int 类型（导致精度丢失）

// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{return left + right;
}int main()
{cout << Add(1, 2) << '\n';cout << Add(1, 2.2) << '\n';return 0;
}

（2）返回 T2 ：double 类型

（3）返回 auto ：让编译器自己判断类型，避免了精度丢失的问题

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

2. 类模板（重要）

类模板和函数模板在用法上没有实质性的区别

2.1 类模板的定义格式

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

对于下面这段代码：我们可以在 typedef 这里自定义想要的栈元素类型

typedef double DataType;

typedef double DataType;
struct Stack
{Stack(size_t capacity = 4){_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(const DataType& data){// 扩容_array[_size] = data;++_size;}DataType* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};int main()
{Stack st1; // intStack st2; // doublereturn 0;
}

但是，我们定义的 st1 和 st2 不能直接指定要 int 还是 double

即不能同时存在不同的类型，如果要有 int 也要 double 就要写两个类

这两个类，只有元素类型不同，类中各种函数逻辑都一样，刚好适合写成模板

此时，类模板就派上用场了

我们将上述的栈类，写成模板形式

// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:Stack(size_t capacity = 4){_array = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(const T& data);
private:T* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};

声明和定义分离：直接写会报错，因为编译器不知道 T 是什么类型的

void Stack::Push(const T& data)
{// 扩容_array[_size] = data;++_size;
}

需要加上模板“声明”，以及类型换成 stack< T >

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{// 扩容_array[_size] = data;++_size;
}

注意：

模版不建议声明和定义分离到.h 和.cpp会出现链接错误（可能会使编译的时间暴增！！不信自己试试），具体原因后面会讲

要分离也分离在.h（在同一个头文件中）

2.2 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（好好领会）。

int main()
{// Stack类名，Stack<int> 才是类型Stack<int> st1;    // intStack<double> st2; // doublereturn 0;
}