【C++】—— 模版初阶

本文主要是介绍【C++】—— 模版初阶，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 泛型编程

  类型的交换函数该怎么做？我们只能每一种类型都写一个，同时每个函数名都不能相同，无疑是非常繁琐的。C++中引入了函数重载，支持函数可以同名。
  
像这样:

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;
} //......

  C++ 有了函数重载比 C语言 方便多了，但还是有不足。如果还要进行其他类型，如 $char$ 类型的交换，那岂不是还要写一个函数？那多麻烦呀

函数重载的缺点：

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

  
  那是否能告诉编译器一个模板，让编译器照着这个模板自己生成类似的函数呢？
  就像活字印刷一样，一印一个准

  为此，C++ 引入了模板的概念，并依次延伸出了泛型编程的思想
  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。
  
模板分为两类：函数模板与类模板

  

2 函数模板

2.1 函数模板基础用法

  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。
  
函数模板格式：

• $template$ < $class$ 类型1, $class$ 类型2,…,$class$ 类型n>
• 返回值类型 函数名(参数列表) { }

注：$class$ 是用来定义模板参数的关键字，也可以用 $typename$ (不能用$struct$ 代替 $class$)。$class$ 和 $typename$ 也可以混着用（正常人都不这么干）
  
  只看概念，往往比较抽象，我们来实践实现一个函数模板

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

  T（$type$）表示的是类型，当然，并一定非要用 T 来表示，也可以是 K 等其他字母。
  那 T 到底是什么类型呢？不知道，要看实例化

我们来学习模板可以用函数的参数列表来类比:

• 函数参数列表（类型变量1，类型变量2， ···，类型变量n）
• 模板参数列表<calss 类型1，calss 类型2，···，calss 类型n>

  
两个类型的模板：

template<class T1, class T2>
void func(const T1& x, const T2& y)
{;
}

  
  

2.2 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
  模板的实例化又分为隐式实例化和显式实例化
  

2.2.1 隐式实例化（推导实例化）

隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

  我们直接来看实例化代码：
模板：

template<class T>
T Add(T x, T y)
{return x + y;
}

int main()
{int a1 = 10, b1 = 5;double a2 = 6.0, b2 = 8.0;cout << Add(a1, b1) << endl;cout << Add(a2, b2) << endl;return 0;
}

  
运行结果：

  我们发现隐式的调用和正常函数的调用一模一样。
  编译器根据传递的两个实参 $a$，$b$ 都是 $int$ 类型，推断出模板中的 T 是int，实例化相应函数。
  
那下面这样行不行呢？

int main()
{int a = 10;double b = 5.0;cout << Add(a, b) << endl;return 0;
}

  肯定是不行的
  在编译期间，编译器实例化时，需要推演其实参类型
  通过 $a$ 将 T 推演为 $int$，通过 $b$ 将 T 推演为 $double$
  但模板中只有一种类型 T
  编译器此时无法将 T 确定为 $int$ 还是 $double$ 而报错
  
注：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转换出问题，第一个背锅的就是编译器。、

此时有两种解决方法：

1. 使用显式实例化
2. 用户自己强制转化

//强制转化	
Add(a, (int)b);
Add((double)a, b);

  
  

2.2.2 显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>指定模板参数的实际类型

int main()
{int a1 = 10, b1 = 5;double a2 = 6.0, b2 = 8.0;cout << Add<int>(a1, b1) << endl;cout << Add<double>(a2, b2) << endl;return 0;
}

  那显式实例化能传递两个不同类型吗？

可以的

int main()
{int a = 10;double b = 5.0;//显式实例化传递不同类型cout << Add<int>(a, b) << endl;return 0;
}

  这里，$double$ 进行隐式类型转换，转换成 $int$ 类型

  当然，这里他们能够发生类型转换是因为他们的类型相近，都是用来表示数据大小。像是指针这种就不能发生隐式类型转换。

目前我们接触到达到的能发生隐式类型转换的就两类

1. 浮点型和整型之间
2. 自定义类型单参数/多参数构造函数

注： 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。

  当然，这里更加推荐的是另写一个可以传递两个类型 $Add$函数模板。

  有些情况是通过推导式推导不出参数类型的，必须显式实例化

template<class T>
T* func(int n)
{return new T[n];
}

  这时，编译器是不可能推导出你的返回类型的，必须显式实例化

int* p1 = func1<int>(10);

  

2.3、函数模板的原理

  函数模板的原理是什么呢？
  模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器根据使用方式产生特定函数的模具

  以前，我们想要实现不同类型的 $Swap$ 函数，要自己吭哧吭哧地去敲。现在，有了模板，编译器帮你生成了。
  模板其实就是将本来应该我们做的重复的事情交给编译器来做

  在编译阶段，编译器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。

template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{T tmp = left;left = right;right = tmp;
}int main()
{int a1 = 10, b1 = 5;double a2 = 6.0, b2 = 8.0;Swap<int>(a1, b1);Swap<double>(a2, b2);return 0;
}

  像是Swap<int>(a1, b1)和Swap<double>(a2, b2)，他们调用的是同一个函数吗？
  我们通过底层汇编指令来看看

  可以看得到call指令跳转的地址是不一样的，说明他们调用的不是同一个函数

  
  

2.4、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，而且该函数模板可以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. 对于非模板函数和函数模板，如果其他条件相同，会优先调用非模板函数而不会从模板函数产生出一个实例。如果模板函数可以才产生一个具有更好匹配的函数，那么选择模板

  相同条件下，有现成的我为什么还做要二次加工的东西呢?

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return (left + right) * 10;
}// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{return left + right;
}int main()
{// 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化cout << Add(1, 2) << endl;// 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cout << Add(1, 2.0) << endl;return 0;
}

运行结果：

  
3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以自动类型转换
  
  

3 类模板

3.1 类模板的定义格式

$template$<$class$ T1，$class$ T2，···，$class$ Tn>
$class$  类模板名
{
  // ···
}

 类模板的定义格式可以类比函数模板，这里不再过多解释

  
  

3.2 实现栈类模板

  我们实现一个栈类模板来感受一下

template<class T>
class Stack
{
public://构造函数Stack(int n = 4):_array(new T[n]), _capacity(n),_size(0){}//析构函数~Stack(){delete[] _array;_array = nullptr;_capacity = _size = 0;}//传参尽量引用，不改变尽量加const//T有可能是自定义类型void Push(const T& x){//扩容//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容if (_size == _capacity){T* tmp = new T[2 * _capacity];memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);delete[] _array;_array = tmp;_capacity *= 2;}_array[_size++] = x;}private:T* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};

  

3.3 类模板为何优于 typedef

  现在有一个问题：实现类模板与之前 $typedef$ 有什么区别呢？
  如果我要在同一个层，一个栈中存 $int$ 类型，一个栈存 $double$ 类型，那么只有类模板能做到

int main()
{Stack t1;//存intStack t2;//存doublereturn 0;
}

  
  

3.4 类模板的实例化

  类模板 只能显式实例化
  为什么呢？编译器：要不你来推导推导 T 是什么

类模板的显式实例化

int main()
{Stack<int> st1;st1.Push(1);Stack<double> st2;st2.Push(1.1);return 0;
}

  实例化后 $st1$ 与 $st2$ 不是同一个类型

  本质上，如果我们自己写也是不同的类。
  现在只是这些类很相似，编译器默默承担了这一切而已
  类模板与函数模板的原理是一样
  

3.5 类模板的声明与定义分离

  类模板成员函数声明与定义分离这样可以吗？

template<class T>
class Stack
{
public://构造函数Stack(int n = 4):_array(new T[n]), _capacity(n),_size(0){}//析构函数~Stack(){delete[] _array;_array = nullptr;_capacity = _size = 0;}void Push(const T& x);private:T* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};void Stack::Push(const T& x)
{//扩容//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容if (_size == _capacity){T* tmp = new T[2 * _capacity];memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);delete[] _array;_array = tmp;_capacity *= 2;}_array[_size++] = x;
}

  是不行的，因为template<class T>定义的模板 只能给当前的模板用

  我们要在类外定义的成员函数前再定义模板，并且指定类域

template<class T>
class Stack
{
public://构造函数Stack(int n = 4):_array(new T[n]), _capacity(n),_size(0){}//析构函数~Stack(){delete[] _array;_array = nullptr;_capacity = _size = 0;}void Push(const T& x);private:T* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{//扩容//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容if (_size == _capacity){T* tmp = new T[2 * _capacity];memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);delete[] _array;_array = tmp;_capacity *= 2;}_array[_size++] = x;
}

  $Push$ 函数的 T 可全部换成其他标识，如：X。因为具体实例化后 T 是一个具体的类型，实例化能匹配上就可以了，它不管当前的模板是 T 还是 X

template<class X>
void Stack<X>::Push(const T& x)
{if (_size == _capacity){X* tmp = new X[2 * _capacity];memcpy(tmp, _array, sizeof(X) * _size);delete[] _array;_array = tmp;_capacity *= 2;}_array[_size++] = x;
}

  但最好别这么做，容易被打，最好和前文保持一致

注：类模板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
  
  
  
  
  

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  好啦，本期关于模版的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在C语言的学习路上一起进步！

这篇关于【C++】—— 模版初阶的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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