C++模板（函数模板、类模板）

目录

一、泛型编程

二、函数模板

函数模板概念

函数模板格式 

函数模板的原理 

函数模板的实例化 

模板参数的匹配原则

三、类模板 

类模板的定义格式

类模板的实例化 

四、扩展 

函数模板一定是推演类模板一定是指定

模板的分离编译 

---

一、泛型编程

泛型编程不再针对某种类型能适应广泛的类型

• 我们看如下的交换函数

//交换int类型
void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
//利用C++支持的函数重载交换double类型
void Swap(double& left, double& right)
{
	double temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

使用函数重载虽然可以实现不同类型的交换函数但是也有以下几个不好的地方

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使得代码重复性高过渡冗余。
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。

那我们能否告诉编译器一个模子让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢

在C++中也能够存在这样一个模具通过给这个模板中传递不同类型来获得不同具体类型的代码。

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。

• 函数模板
• 类模板

---

二、函数模板

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。

---

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)

因此交换函数我们就可以套用以下模板

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

调用情况如下

---

函数模板的原理 

问我们上述的Swap调用的是同一个函数吗

• 答不是这里我们三次Swap不是调用的同一个函数当Swap时编译器会根据不同的类型通过模板定制专属的函数然后再调用我们可以用反汇编来验证这一结论

函数模板只是一个蓝图它本身并不是函数。模板只是将本来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。

• 补充

其实在库里面就有swap函数因此我们就不需要自己写模板了

我们直接用swap即可 

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	swap(a, b);
	swap(c, d);
}

---

函数模板的实例化 

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。模板参数实例化分为隐式实例化和显式实例化。

• 隐式实例化让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

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); //编译器推出T是int
	Add(d1, d2); //编译器推出T是double
}

但是我们如下调用就会出错

int main()
{
    int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, d1); //err 编译器推不出来
	/*
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
    */
}

编译器无法确定这里的T是int还是double。此时有两种处理方式

法一用户自己来强制转化

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    Add(a1, (int)d1); //强制类型转换。或者Add((double)a1, d1);
}

法二使用显式实例化

• 显式实例化在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

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;
    //显示实例化
	Add<int>(a1, d1); //double隐式类型转换成int 
	Add<double>(a1, d2); 
}

• 补充模板支持多个模板参数。

template<class K, class V> //两个模板参数
void Func(const K& key, const V& value)
{
	cout << key << ":" << value << endl;
}
int main()
{
	Func(1, 1); //K和V均int
	Func(1, 1.1);//K是intV是double
	Func<int, char>(1, 'A'); //多个模板参数也可指定显示实例化不同类型
}

我们还可以给模板参数附上缺省值和函数里的缺省参数一样需要从右往左给缺省值。

同时我们也可以全缺省。 

---

模板参数的匹配原则

• 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); //会调用哪个Add函数
}

这两个Add可以同时存在那我们调用Add的时候调的是模板函数Add还是专属的Add

 

通过反汇编我们知道调用的是专属Add函数。我们得出结论编译器在调用时有现成的就调用现成的没有就调用模板。当然我们也可以强制让编译器走模板函数如下

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
}

• 原则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
}

• 原则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

---

三、类模板 

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
};

我们拿下面的栈为例

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 10)
	{
		_a = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_top = 0;
	}
	~Stack()
	{
		delete[]_a;
		_capacity = _top = 0;
	}
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

---

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面跟<>,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。

int main()
{
	Stack<int>st1; //int类型
	Stack<double>st2;//double类型
}

---

四、扩展 

函数模板一定是推演类模板一定是指定

函数不一定都能推演但是类模板一定要指定假设我们有如下的函数模板

 这里的模板就推不出T的类型因此我们就要对其显示实例化。

template<class T>
T* func(int n)
{ 
	return new T[n];
}
int main()
{
	//函数模板显示实例化
	int* p1 = func<int>(10);
	double* p2 = func<double>(10);
}

因此如果函数模板不能自动推演就要显示实例化指定模板参数。

---

模板的分离编译 

模板的声明和定义是可以分离的(前提是声明和定义在一个文件中)。比如下面情况

//函数模板的声明
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right);
//类模板的声明
template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10);
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
 
//函数模板的定义
template<typename T> //定义的时候也要给模板参数
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
//类模板的定义
template<class T> //定义的时候也要给模板参数
Vector<T>::Vector(size_t capacity)
	: _pData(new T[capacity])
	, _size(0)
	, _capacity(capacity)
{}

模板不支持声明和定义放在两个文件中(xxx.h和xxx.cpp),会发生链接错误。那这是为什么呢

 我们都知道源文件在生成可执行程序的过程会经历预处理、编译、汇编、链接四大模块。

template.i在编译后生成对应的.s文件以及后续的.o文件其实都为空编译器无法下手因为编译器不知道T是什么这也就导致了符号表是空的没有地址。而调用的地方就没有问题因为main函数里面已经实例化显示出了T的类型。随后就去符号表里找对应函数的地址但是找不到。就会导致链接出错。

那如果我非要将声明和定义放到两个文件里面有什么办法呢

• 解决方法1在template.cpp中针对要使用的模板类型显示实例化指定

你调用函数的地方有那些类型就要指定显示实例化那些类型。加上了显示实例化后此时就能够链接上了。不过这种方法不怎么实用不推荐使用。

• 解决方法2将声明和定义放在一个文件"xxx.hpp"里面或者"xxx.h"里面。比较推荐使用此种方法。

模板的声明和定义一般是要放到一个文件中有些地方就会命名成xxx.hpp寓意就是头文件和定义实现内容合并一起但并不一定是.hpp.h也是可以的。