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🎉所属专栏： C++修行之路

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No one saves us but ourselves, no one can and no one may. We ourselves must walk the path.

除了我们自己，没有人能拯救我们，没有人可以，也没有人可以。我们自己必须走这条路。

📘前言

早在北宋年间，中国的毕昇就已经发明了泥活字，标志着四大发明之一的活字印刷术正式诞生，从此文化传播取得了革命性突破，各种文学作品得以走进千家万户。倘若这项技术还没有被发明，那么恐怕我们现在的书本都还得靠逐字手抄传播，效率是非常低的

我们的程序也是如此，很多需要频繁使用的函数每次都得手动写，这可难不倒程序员，于是在上世纪80年代末，范型编程思想正式诞生，它就像是印刷文字的模具，将程序主体刻在其中，需要使用时让编译器根据参数类型生成即可，这就是我们今天的主角模板

📘正文

模板的产生源自于范型编程的思想，简单来说，就是将算法抽象化编写

📖范型编程

那么什么才是一个抽象化的算法呢？

比如我们常用的两数相加函数，按照以前的写法，处理整型数据时，编写整型的方法；处理浮点型时，又得编写一个浮点型的加法，好在C++支持函数重载，使得我们可以存在同名函数，假若是C语言实现时，我们甚至要写两个不同名的相加函数

//处理整型的加法函数
int Add(const int& a, const int& b)
{
  return a + b;
}
//处理浮点型的加法函数
double Add(const double& a, const double& b)
{
  return a + b;
}

两数相加，直接返回两数之和就行了，我们实现方法时，没必要关注具体数据类型

将具体问题抽象化，直接假设数据类型为 T，利用模板实现如下：

//利用模板实现函数
template <class T>  //模板关键字
T Add(const T& a, const T& b)
{
  return a + b;
}

此时我们只编写了一个加法函数模板，而所有类型的参数都可以调用加法函数

具体问题抽象化就是范型编程的核心思想

📖函数模板

首先来看模板在函数实现上的运用

注意：

模板关键字为 template

形式为 template <class T> 或者 template <typename T>

其中的T是模板中的参数名，我们可以自定义

模板中可以存在多个参数，通过 , 号分隔

🖋️使用方法

模板函数即在函数实现之前，写好模板，再根据模板中定义的变量名实现函数

//实现所有类型数组的打印
//这种模板写法也是没有问题的
template <typename Type>
void CoutArray(const Type& arr)
{
  //范围 for ，C++11 中的语法糖
  for (auto e : arr)
  {
  cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
}

我们还可以实现多参数模板

//多参数模板
//这里实现的是val2强制类型转换为val1，并取得和
template <class T1, class T2>
T1 getTrunVal(const T1& val1, const T2& val2)
{
  const T1 tmp = (const T1)val2;
  return val1 + tmp;
}

总之，在函数模板的存在下，我们不再需要再编写不同类型参数的相似函数了

🖋️实现原理

这个模板看着挺厉害，那么它的实现原理是什么呢?

其实很简单，只需要两样东西：编译器 和 函数重载

当我们编写好函数模板后，编译器会记住这个模板的内容，当我们使用模板时，编译器又会根据参数类型，创建相应的、具体的函数供参数使用，而这就是函数重载的道理

形象化理解：

假设我们的整个程序就是一个大城市

在这个城市中，我们就是造物主，编译器则是负责协助我们处理事情的

假设在某一天，参数A提出它需要一栋房子(方法)，造物主很不屑的给造好了房子

一天后，参数B也说它也需要一栋房子(方法)，造物主很快就满足了它的需求

之后的每一天中，都会有参数说自己需要房子(方法)，于是造物主坐不住了，他觉得这些参数很麻烦，明明大家都是同一个需求，还得自己不断重复实现

于是他想了一个办法：将建造房子的图纸(模板)交给编译器，编译器是完全服从于造物主的，造物主说：“小编啊，以后再有人找我建房子(方法)，你就按照这个图纸(模板)去建造，建好后将房子所有者变成它就行了”，这样一来，造物主的工作量就减小了很多，重复相似的工作直接提供蓝图(模板)，然后让编译器根据参数类型落实即可

于是，函数模板就这样诞生了

可以看出，不断建房子这件麻烦事仍然存在，毕竟不可能让所有参数都入住一栋房子，函数模板 的本质就是将实现不同参数的相似方法这件事交给编译器去完成，我们只需要提供蓝图(模板)即可

比如文章开头中的 Add 函数，我们提供了模板，当实际调用函数时，编译器会自动识别参数类型，然后生成对应的函数，供参数调用，也就是说，编译器根据不同参数，老老实实生成了 int、double、char 三个版本的 Add 函数，如果有需要，它还能继续生成

实际参数调用时，调用的是模板生成的对应函数，而非模板本身！

编译器在识别参数类型生成函数时，有两种途径：

自动识别 (隐式)

我们手动指定(显式)

💡隐式实例化

隐式实例化就是编译器自动识别参数后生成函数的过程

隐式实例化很方便，但可能存在问题

//Add 模板
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
  return a + b;
}
int main()
{
  Add(2, 1.5);  //此时编译失败！
  return 0;
}

原因：

此时我们的模板是单参数模板

因为是编译器隐式实例化，当编译器识别到 2 时，将生成 int 型方法

此时 Add 函数内的两个形参类型都为 int，实际函数名修饰为 _3Addii

而我们的参数2为 double ，是一个浮点型数据，实际函数调用时，找的是这个函数_3Addid

此时出现明显的链接错误，编译器索性直接在编译前就已经报错阻拦

解决方法：

将参数2强制类型转换为 int，或者将参数1强制类型转换为 double 都能解决问题

多参数模板也能解决问题，此时如果识别到两个不同的参数，编译器就会根据实际情况生成函数

还有一种解决方法就是显式实例化

注意：

强制类型转换后生成临时变量进行传参

临时变量具有常性，所以Add函数中的引用形参需要被 const 修饰

或者不用引用，这样也不需要 const ，但是此时效率会变低

💡显式实例化

显式实例化就是给编译器打招呼，让它在建房子时按照我们的意愿来

Add<int> (2, 3.14); //此时编译器会调用 _3Addii 函数，至于传参时的类型转换，由编译器完成
Add<char> (2, 5); //调用 _3Addcc 函数

这种行为是完全合法的，< > 符号也正式和我们见面了，在后面的 STL 学习中，< > 会经常使用到，比如生成一个类型为 int 的顺序表，直接 vector<int>，生成 char 类型的顺序表 vector<char>，一键生成，非常方便，当然还有很多容器都会用到显式实例化

🖋️匹配规则

具体函数调用时，隐式生成的模板函数并不会最先被调用

假设我们已经在程序中写好了参数需要的函数，而同时模板也能生成参数需要的函数，此时编译，编译器会先寻找是否存在目标函数，如果有，编译器便不再根据函数模板生成函数，避免造成代码冗余

我们可以通过调试来观察到这一现象

🖋️注意事项

注意：

函数调用时，并非直接调用函数模板，而是调用编译器根据参数类型和模板生成的函数

使用模板是在麻烦编译器帮我们办事，实际事也是办成功的

当隐式实例化后的函数已存在时，不会去生成模板函数，而是直接使用已存在的函数

显式实例化后，编译器则会优先选择显式生成的普通函数

隐式生成的模板函数不存在类型隐式类型转换，显式后生成的是普通函数，可以隐式类型转换

模板中的参数类型不能为 strcut

template<struct T>  //这种定义是非法的

C++库中存在一个 swap 函数，它能实现所有数据类型的交换，其实它就是通过函数模板实现的

📖类模板

模板除了可以用在函数上面外，还可以用在类上，此时称为 类模板

STL 库中的容器，都是 类模板 的形式，我们使用时，需要什么类型的 类，直接显式实例化为对应 模板类 即可

//简单演示下 STL 中的容器，这些都是类模板的实际运用
vector<int> v1; //实例化为整型顺序表类
list<double> l1;  //实例化为浮点型链表类

🖋️使用方法

类模板和函数模板有所不同，类模板只能显式实例化

//简单写一个栈模板
template<class T>
class Stack
{
public:
  //构造函数
  Stack(int capacity = 4);
  //析构函数
  ~Stack();
  //……
private:
  T* _pData;
  int _top;
  int _capacity;
};
//注意类模板中方法的实现方式！
//定义构造函数
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
{
  _pData = new T[capacity]; //内存管理，一次申请4块空间
  _capacity = capacity;
  _top = 0;
}
//定义析构函数
template<class T>
Stack<T>::~Stack()
{
  delete[] _pData;  //注意：匹配使用
  _capacity = _top = 0;
}
//……

这就算 STL 库中 stack 的简陋版本，还有很多方法没实现，但大体逻辑都是如此

🖋️注意事项

类模板使用时需要注意一些问题：

模板类中的函数在定义时，如果没有在类域中，就需要通过 类模板+ 类域访问 的方式定义

类模板 不支持声明与定义分开在两个文件中实现，因为会出现链接错误

📘总结

以上就是关于 C++ 模板初阶 的全部内容了，模板是一个很实用的工具，它可以提高我们的编码效率，省去很多不必要的麻烦，善用模板，快乐编程！

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