【C++要笑着学】泛型编程 | 函数模板 | 函数模板实例化 | 类模板(一)

简介: 本章将正式开始介绍C++中的模板,为了能让大家更好地体会到用模板多是件美事!我们将会举例说明,大家可以试着把自己带入到文章中,跟着思路去阅读和思考,真的会很有意思!如果你对网络流行梗有了解,读起来将会更有意思!

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💭 写在前面



本章将正式开始介绍C++中的模板,为了能让大家更好地体会到用模板多是件美事!我们将会举例说明,大家可以试着把自己带入到文章中,跟着思路去阅读和思考,真的会很有意思!如果你对网络流行梗有了解,读起来将会更有意思!


Ⅰ.  泛型编程


0x00  引入 - 通用的交换函数

在C语言中,我们实现两数交换,不用花的方法(异或啥的),中规中矩的写法是通过 tmp 交换。


💬 比如我们这里想交换 变量a 和 变量b 的值,我们可以写一个 Swap 函数:


void Swap(int* px, int* py) {
  int tmp = *px;  // 创建临时变量,存储a的值
  *px = *py;      // 将b的值赋给a
  *py = tmp;      // 让b从tmp里拿到a的值
}
int main(void)
{
  int a = 0, b = 1;
  Swap(&a, &b);   // 传址
  return 0;
}

变量a 和 变量b 是整型,如果现在有了是浮点型的 变量c 和 变量d,


还可以用我们这个整型的 Swap 函数交换吗?


void Swap(int* px, int* py) {  
  int tmp = *px; 
  *px = *py;      
  *py = tmp;      
}
int main(void)
{
  int a = 0, b = 1;
  double c = 1.1, d = 2.2;  // 浮点型
  Swap(&a, &b);
  Swap(&c, &d);
  return 0;
}

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似乎不太行,因为我们实现的 Swap 函数接受的是整形数据,这里传的是浮点数了。


我们可以再写一个浮点数版本的 Swap 函数…… 叫 SwapDouble


void SwapDouble(double* px, double* py) {
  double tmp = *px; 
  *px = *py;      
  *py = tmp;      
}

不错,问题是解决了。但是我现在又出现了字符型的 变量e 和 变量f 呢?

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……


那我现在又出现了各种乱七八糟的类型呢?

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SwapInt、SwapDouble、SwapChar 真是乱七八糟的,


❓ 能不能实现一个通用的 Swap 函数呢?


那我们不用C语言了!我们用C++,C++里面不是有 函数重载 嘛!


用C++我们还能用引用的方法交换呢,直接传引用,取地址符号都不用打了,多好!


💬 test.cpp:


于是咔咔咔,改成了C++之后 ——


void Swap(int& rx, int& ry) {
  int tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}
void Swap(double& rx, double& ry) {
  double tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}
void Swap(char& rx, char& ry) {
  char tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}
int main(void)
{
  int a = 0, b = 1;
  double c = 1.1, d = 2.2;
  char e = 'e', f = 'f';
  Swap(a, b);
  Swap(c, d);
  Swap(e, f);
  return 0;
}

场面一度尴尬……


好像靠函数重载来调用不同类型的 Swap,只是表面上看起来 "通用" 了 ,


实际上问题还是没有解决,有新的类型,还是要添加对应的函数……

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❌ 用函数重载解决的缺陷:


① 重载的函数仅仅是类型不同,代码的复用率很低,只要有新类型出现就需要增加对应的函数。


② 代码的可维护性比较低,一个出错可能导致所有重载均出错。


哎!要是能像做表情包那样简单就好了……


你看我做表情,有些是可以靠模板去制作的,比如这种 "狂粉举牌" 表情:

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这就是模板!如果在C++中也能够存在这样一个模板该有多好?


就像这里,只要在板子上写上名字(类型),


就可以做出不同的 "举牌表情"(生成具体类型的代码)。


那将会节省很多头发!


巧妙的是!C++里面有这种神器!!!


而且大佬已经把神器打造好了,你只要学会如何使用就能爽到飞起!


下面让我们开始函数模板的学习!在这之前我们再来科普一下什么是泛型编程。


0x01  什么是泛型编程

泛型,就是针对广泛的类型的意思。


泛型编程: 编写与类型无关的调用代码,是代码复用的一种手段。 模板是泛型编程的基础。


Ⅱ.  函数模板


0x00  函数模板的概念

上面我们提到了 "神器" ,现在我们来学会如何去使用它,我们先来介绍一下概念。


📚 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。


0x01  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){}

① template 是定义模板的关键字,后面跟的是尖括号 < >


② typename 是用来定义模板参数的关键字


③ T1, T2, ..., Tn 表示的是函数名,可以理解为模板的名字,名字你可以自己取。


👈 就像这个表情包模板,我给他取名为 "狂粉举牌" 表情。


💬 解决刚才的问题:


① 我们来定义一个叫 Swap 的函数,我们这不给具体的类型:


void Swap();

② 然后在它的前面定义一个具体的类型:


template<typename T>    // template + <typename 模板名>
void Swap();

③ 这时候,我们就可以用这个模板名来做类型了:


template<typename T>         // 模板参数列表 ———— 参数类型
void Swap(T& rx, T& ry) {    // 函数参数列表 ———— 参数对象
  T tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}

这,就是函数模板!虽然参数的名字我们可以自己取 (你写成 TMD 也没人拦你 )


但是我们一般喜欢给它取名为 T,因为 T 代表 Type(类型),


有些地方也会叫 TP、TY、X ,或者 KV结构(key-value-store)我们还会给它取名为 KING,


💬 当然,如果你需要多个类型,也是可以定义多个类型的:


template<typename T1, typename T2, typename T3>

📌 注意事项:


① 函数模板不是一个函数,因为它不是具体要调用的某一个函数,而是一个模板。就像 "好学生",主体是学生,"好" 是形容 "学生" 的;这里也一样,"函数模板" 是模板,所以 函数模板表达的意思是 "函数的模板" 。所以,我们一般不叫它模板函数,应当叫作函数模板。


"函数模板不是一个实在的函数,编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述,当它具体执行时,将根据传递的实际参数决定其功能。"  —— 《百度百科》


② 我们在用 template< > 定义模板的时候,尖括号里的 typename 其实还可以写成 class:


template<class T>     // 使用class充当typename (具体后面会说)
void Swap(T& rx, T& ry) {
  T tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}

🚩 现在我们把完整的代码跑一下看看:


template<typename T>
void Swap(T& rx, T& ry) {
  T tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}
int main(void)
{
  int a = 0, b = 1;
  double c = 1.1, d = 2.2;
  char e = 'e', f = 'f';
  Swap(a, b);
  Swap(c, d);
  Swap(e, f);
  return 0;
}

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(代码成功运行)


🐞 调试,打开监视看看是否都成功交换了:

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搞定!我们使用模板成功解决了问题,实现了通用的 Swap 函数!


如果是自定义类型,函数里面就要是拷贝构造,你要实现好就行。


因为 T 没有规定是什么类型,所以任意类型都是可以的,内置类型和自定义类型都可以的。


真是太香了!这,就是模板!


0x02  模板函数的原理

❓ 思考:这下面三个调用调用的是同一个函数吗?

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🔑 不是同一个函数。这三个函数执行的指令是不一样的,你可以这么想,


它们都需要建立栈帧,栈帧里面是要开空间的,你就要给 rx 开空间,


rx 的类型都不一样(double int char)。所以当然调用的不是同一个函数了。


我们来思考一下模板函数的原理是什么。


比如说我现在想把杜甫写的《登高》做出一万份出来,怎么做?

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最后我们传递出去的也不是印诗的模具,而是印出来的纸,


不管是手抄还是印刷,传递出去的都是纸。


💬 所以我们再来看这里的代码:

template<typename T>
void Swap(T& rx, T& ry) {
  T tmp = rx;
  rx = ry;
  ry = tmp;
}
int main(void)
{
  int a = 0, b = 1;
  double c = 1.1, d = 2.2;
  char e = 'e', f = 'f';
  Swap(a, b);
  Swap(c, d);
  Swap(e, f);
  return 0;
}

和上面说的一样,我们不会把印诗的模具传递出去,而是印出来的纸,


所以这里调用的当然不是模板,而是这个模板造出来的东西。


而函数模板造出 "实际要调用的" 的过程,叫做模板实例化。


编译器在调用之前会干一件事情 —— 模板实例化。


我们下面就来探讨一下模板实例化。

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