C++模板初阶

简介: C++模板初阶

C++模板初阶

模板源自于泛型编程的思想,是将算法抽象化编写

1. 泛型编程

前面我们学习到了C++支持函数重载,在实现一个加法函数时,可以针对数据的不同类型来完成重载函数的编写,虽然可以完成任务,但难免还是会觉得太冗余了

//整型加法函数
void Swap(int& left, int& right)
{
  int temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}
//浮点型加法函数
void Swap(double& left, double& right)
{
  double temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}

使用函数重载实现会有一些缺点:

  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

那能否告诉编译器一个模板,让编译器根据不同的类型利用该模板来生成代码呢?

答案是可以的,泛型编程就是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

2. 函数模板

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

2.1 函数模板格式

  1. 模板的关键字是 template
  2. 格式为:template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>或者template<class T>
  3. 其中T是参数名,可以自定义,模板中可以有多个参数通过逗号分隔开

举个栗子:

template<class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
  T tmp = x;
  x = y;
  y = tmp;
}
int main()
{
  int a = 12, b = 24;
  Swap(a, b);
  double c = 6.6, d = 8.8;
  Swap(c, d);
}

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)

2.2 模板原理

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

当我们使用模板时,编译器会根据参数类型创建相应的函数供参数使用,也就是函数重载的道理

如上面的函数我们来看底层:

bab6bba8577fab21a37a7ee4ca6b0a66.png

这里可以观察到针对不同的参数分别调用的是不同参数的Swap函数

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

2.3 模板实例化

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:

隐式实例化就是让编译器根据实参自动推演参数的实际类型,然后生成函数的过程

隐式实例化虽然很方便,但是可能会存在问题,下面来看看:

//隐式实例化:让编译器根据实参自动推演参数的实际类型
template<class T>
T Add(const T& e1, const T& e2) 
{
  return e1 + e2;
}
int main()
{
  int a1 = 12, a2 = 24;
  double d1 = 6.6, d2 = 8.8;
  cout << Add(a1, a2) << endl; //两个实参类型都是int
  cout << Add(d1, d2) << endl; //两个实参类型都是double
  cout << Add(a1, d1) << endl; //err,一个实参是int,一个实参是double
  return 0;
}

这里两个参数的类型不同的情况下编译器就会报错,这是因为如果类型不匹配,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,那么该怎么解决呢?

这里有三种解决方法:

//方法一:手动强制类型转化
int main()
{
  int a1 = 12, a2 = 24;
  double d1 = 6.6, d2 = 8.8;
  cout << Add(a1, (int)d1) << endl;
  cout << Add((double)a1, d1) << endl;
  return 0;
}
//方法二:增加一个模板参数
template<class T1, class T2>
T1 Add(const T1& e1, const T2& e2)
{
  return e1 + e2;
}
int main()
{
  int a1 = 12, a2 = 24;
  double d1 = 6.6, d2 = 8.8;
  cout << Add(a1, d1) << endl;
  return 0;
}

还有一种解决方法就是显示实例化

显示实例化:

显示实例化就是在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

//方法三:显示实例化
template<class T>
T Add(const T& e1, const T& e2)
{
  return e1 + e2;
}
int main()
{
  int a1 = 12, a2 = 24;
  double d1 = 6.6, d2 = 8.8;
  cout << Add<int>(a1, d1) << endl; //指定为int类型
  cout << Add<double>(a1, d1) << endl; //指定为double类型
  return 0;
}

2.4 模板参数匹配规则

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

int Add(int left, int right)
{
  return left + right;
}
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
  return left + right;
}
void Test()
{
  Add(1, 2); //调用非模板函数
  Add<int>(1, 2); //调用函数模板
}

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

int Add(int left, int right)
{
  return left + right;
}
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, 6.6); //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
}

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

3. 类模板

模板除了可以用在函数上面还可以用在类上面,称为类模板

3.1 类模板格式

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

3.2 类模板使用

举个栗子:

//栈
typedef int StType;
class stack
{
private:
  StType* _a;
  StType _top;
  StType _capacity;
};
int main()
{
  stack s1;
  stack s2;
  return 0;
}

我们之前对于对象成员的类型都是通过typedef来指定的,但是有一个问题,这里我们定义的两个栈的成员类型都是相同的int,如果想让一个栈存放int类型,一个栈存放double类型可以吗?显然typedef是做不到的,这里我们就需要用到类模板

类模板运用:

类模板只能显示实例化

template<class T>
class stack
{
private:
  T* _a;
  int _top;
  int _capacity;
};
int main()
{
  stack<int> s1; //类模板只能显示实例化
  stack<double> s2;
  return 0;
}

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,即类模板 + 域访问符的方式

template<class T>
class stack
{
public:
  stack(int capacity = 4)
  {
    _a = new T[capacity];
    _top = -1;
    _capacity = capacity;
  }
  ~stack();
private:
  T* _a;
  int _top;
  int _capacity;
};
//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>
stack<T>::~stack() 
{
  if (stack::_a != nullptr) {
    delete[] _a;
    _top = -1;
    _capacity = 0;
  }
}

类模板不支持声明定义分离在两个文件中,这样会导致链接错误

3.3 类模板实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同,类模板实例化必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,另外vector< int > vvector是类名,vector< int >才是对象v的类型

// Vector是类名,Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;

C++模板初阶到这里就介绍结束了,本篇文章对你由帮助的话,期待大佬们的三连,你们的支持是我最大的动力!

文章有写的不足或是错误的地方,欢迎评论或私信指出,我会在第一时间改正

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