1. 泛型编程

泛型编程是一种编程范式，旨在实现可重用、通用和高度抽象的代码。它允许程序员编写与数据类型无关的代码，以便在不同的数据类型上进行操作，而无需为每种数据类型重复编写代码。

在传统的编程中，通常需要为每种数据类型编写特定的代码。例如，如果要实现一个排序算法，可能需要为整数、浮点数和字符串等不同的数据类型分别编写排序代码。这种方法效率低下且容易导致代码冗余。

泛型编程通过引入类型参数（type parameter）来解决这个问题。类型参数使得代码可以适用于多种不同的数据类型，而不是针对特定的类型。通过泛型，可以在编写一次代码后，用不同的数据类型实例化它，从而实现代码的复用性。

在很多编程语言中，泛型编程可以通过以下方式实现：

泛型函数：允许在函数定义中使用类型参数，从而实现对不同类型的通用操作。

泛型类：允许在类定义中使用类型参数，使得类的属性和方法可以用于不同类型的数据。

泛型接口：类似于泛型类，但定义了一组规范，供实现了该接口的类使用类型参数。

泛型方法：允许在方法内使用类型参数，使得方法在调用时可以适用于不同的数据类型。

泛型编程的优点包括提高代码的可读性、可维护性和可扩展性，同时减少代码的重复编写。许多现代编程语言，如 Java、C++、C#、Python 和 Rust，都支持泛型编程，使得开发人员能够更有效地编写通用且高效的代码。

根据前面的知识，如果我们要实现各类型的交换函数可能会写出下面的代码：

void Swap(int& left, int& right)
{
  int temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
  double temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
  char temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}
......

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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

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子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

下面就来介绍泛型编程的基础——模板

2. 函数模板

2.1 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。

C++ 模板可以通过它与活字印刷术之间的关联来理解。

活字印刷术是一项革命性的发明，活字印刷术最早是由中国北宋时期的印刷家毕昇（Bi Sheng）在11世纪中期发明的。毕昇的活字印刷术是通过雕刻单个汉字的木质或陶质印刷块，然后将这些印刷块组合成词句，并在纸张上进行印刷。这种技术大大提高了书籍的生产效率，使得大规模的书籍印刷成为可能。在活字印刷术之前，书籍复制是通过手工抄写完成的，费时费力且容易出错。活字印刷术的出现使得书籍大规模生产和传播成为可能，对于人类知识的传承和文化的发展产生了深远的影响。

C++ 模板在计算机编程领域也是一种革命性的技术。C++ 模板是一种用于创建通用代码的机制，它允许程序员编写与数据类型无关的代码。类似于活字印刷术中可移动的字母块，C++ 模板中的代码块也可以在编译时根据不同的数据类型进行实例化，从而实现通用性和高效性。

在 C++ 中，可以使用类模板和函数模板。类模板允许定义通用的类，而函数模板允许定义通用的函数。通过使用模板，可以在编写一次代码后，对不同的数据类型进行实例化，从而实现代码的复用。

2.1 函数模板格式

template 返回值类型函数名(参数列表){}

现在我们用模板来改造上面的交换函数：

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
int main() {
    int i = 1;
    int j = 2;
    double a = 2.3;
    double b = 1.2;
    char x = 'w';
    char y = 'q';
    Swap(i, j);
    Swap(a, b);
    Swap(x, y);
    cout << i << ' ' << j << endl;
    cout << a << ' ' << b << endl;
    cout << x << ' ' << y << endl;
    return 0;
}

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)

2.3 函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

函数模板的原理在于通过模板实例化，使得编译器可以根据不同的数据类型生成对应的函数代码，从而实现对不同数据类型的通用操作。函数模板为我们提供了一种强大的方式来编写通用、灵活且高效的代码，使得我们可以在一次编写后，用不同的数据类型实例化函数，实现代码的复用和高效性。

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。

我们可以看到函数模板在汇编中的具体实现如下图：

可以看到函数模板在面对不同类型时调用的不是一个函数，而是通过类型推演调用的不同函数，实际在C++的库中已包含的交换函数swap()就是通过模板实现的。

2.4 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。

1.隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
int main()
{
  int a1 = 10;
  double d1 = 20.0;
  Add(a1, d1);
  return 0;
}

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

此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
int main()
{
  int a1 = 10;
  double d1 = 20.0;
  Add((double)a1, d1);
  Add(a1, (int)d1);
  return 0;
}

2.显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
int main()
{
  int a1 = 10;
  double d1 = 20.0;
  Add<double> (a1, d1);
  Add<int> (a1, d1);
  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。

2.5 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;
}
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
}

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
}

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

类模板（Class Template）是 C++ 中用于创建通用类的机制。类模板允许我们定义一个通用的类模板，其中的数据类型可以通过模板参数来指定，从而实现对不同数据类型的通用操作。

比如我们要在一个文件内同时实现两个存储不同类型的栈，这时我们需要定义多个类

typedef char STDataType;
class Stack
{
private:
  STDataType* _a;
  int top;
  int capacity;
};
class Stacki
{
private:
  int* _a;
  int top;
  int capacity;
};
class Stackc
{
private:
  char* _a;
  int top;
  int capacity;
};
int main()
{
  Stackc st1; // char
  Stacki st2; // int
  return 0;
}

但是我们发现这个结构极其的相似，这时我们就可以使用类模板来解决此类问题

3.1 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
};

比如下面使用模板实现的栈类

#include<iostream>
#include<string>
#include <assert.h>
using namespace std;
template<typename T>
class Stack
{
public:
  Stack(size_t capacity = 0)
  {
    if (capacity > 0)
    {
      _a = new T[capacity];
      _capacity = capacity;
      _top = 0;
    }
  }
  ~Stack()
  {
    delete[] _a;
    _a = nullptr;
    _capacity = _top = 0;
  }
  void Push(const T& x);
  void Pop()
  {
    assert(_top > 0);
    --_top;
  }
  bool Empty()
  {
    return _top == 0;
  }
  const T& Top()
  {
    assert(_top > 0);
    return _a[_top - 1];
  }
private:
  T* _a = nullptr;
  size_t _top = 0;
  size_t _capacity = 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
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
  if (_top == _capacity)
  {
    size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    // 1、开新空间
    // 2、拷贝数据
    // 3、释放旧空间
    T* tmp = new T[newCapacity];
    if (_a)
    {
      memcpy(tmp, _a, sizeof(T)*_top);
      delete[] _a;
    }
    _a = tmp;
    _capacity = newCapacity;
  }
  _a[_top] = x;
  ++_top;
}

注意：

1.模板不支持分离编译（声明放在.h 定义放在.cpp）

2.模板在同一个文件中，是可以声明和定义分离的

3.2 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<int> st1;
    Stack<char> st2;

Stack类名，Stack才是类型

C++初阶之模板和STL简介（上）