一.   泛型编程

我们若是想实现一个需要对各类数据通用的功能在C语言中是不太现实的而在C++中我们可以运用函数重载但我们依然需要写出多个内容极其类似的函数例如想要实现交换

void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

void Swap(char& a, char& b)
{
	char tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

void Swap(double& a, double& b)
{
	double tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

void Swap(int*& a, int*& b)
{
	int* tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

想要实现通用远远不止这些函数而这些代码的复用性很低同时当一个出错可能全部会出现问题函数的可维护性差。

有没有一种方式能够让我们只写一遍函数体就能实现各类数据的交换呢就像是写一个板子来让编译器生成对应的函数

因此我们就需要进行泛型编程

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。

而模板又分为函数模板和类模板

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二.   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

这一点我们会在将下面函数模板时进行验证

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三.   函数模板

1.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。

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2.格式

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

//typename是用来定义模板参数关键字也可以使用class
返回值类型 函数名(参数列表){}

 应用到上面我们所说的交换中

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

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3.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

隐式实例化让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

还是上面的交换模板

我们只需要正常依照平常函数的方式就可以了

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

int main()
{
	int a = 10,b = 20;
	double c = 10.1, d = 20.2;
	char e = 'e', f = 'f';
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	Swap(e, f);
	cout << "a=" << a << "," << "b=" << b << endl;
	cout << "c=" << c << "," << "d=" << d << endl;
	cout << "e=" << e << "," << "f=" << f << endl;
	return 0;
}

可以看到的确可以完成交换

 

而转到反汇编可以看到的确是调用的不同的函数

而毕竟是让编译器推演实际类型很容易出现问题

例如我们想要使用一个求和的模板

T Add(const T& a, const T& b)
{
	T ret = a + b;
	return ret;
}

我们难免会遇到不同类型相加的情况直接使用隐式实例化会出现一些问题

我们或许可以写作这样

template <class T1,class T2>

T2 Add(const T1& a, const T2& b)
{
	T2 ret = a + b;
	return ret;
}

int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.2;
	cout << Add(a, b) << endl;
	return 0;
}

但这种写法并不通用例如我们传参时先传b再传a那么我们的返回类型便是int无法实现想要的功能。 

而为了真正解决这个问题我们可以将实参在传参前进行强制类型转换

int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.2;
	cout << Add((double)a, b) << endl;
	return 0;
}

  而另一种方法便是使用显式实例化

2.显式实例化

显式实例化在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

例如上面的问题若是使用显式实例化

int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.2;
	cout << Add<double>(a, b) << endl;
	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。

例如我们若是这样写便会报错

 

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 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;
}
int main()
{
	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
	return 0;
}

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;
}
int main()
{
	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
	return 0;
}

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

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三.   类模板

1.定义格式

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

在看类模板前我们前看一看我们熟悉的栈

typedef int STDataType;
class Stack
{
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = new STDataType[capacity];
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_capacity = _top = 0;
	}
private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

这是一个int类型的栈但若是使用typedef我们无法实现依照这样一个类来同时实现其他类型例如double的栈我们只能再写一个

typedef double STDataType;
class StackDouble
{
	StackDouble(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = new STDataType[capacity];
	}

	~StackDouble()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_capacity = _top = 0;
	}
private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

可以看到出现的情况与上面函数的使用类似因此我们也可以使用类模板来解决

template<class T>
class Stack
{
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = new T[capacity];
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_capacity = _top = 0;
	}
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _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>
class Stack
{
	Stack(int capacity = 4)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
	{
		_a = new T[capacity];
	}

	~Stack();
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
template <class T>
Stack<T>::~Stack()
{
	delete[] _a;
	_size = _capacity = 0;
}

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2.类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同函数模板中由于可以根据参数的类型来进行隐式实例化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。

// Stack类名Stack<int>才是类型
Stack<int> s1;
Stack<double> s2;