【C++从0到王者】第八站：模板初阶-阿里云开发者社区

一、泛型编程

当我们在写一个交换程序的时候

按照我们之前的想法，我们需要写大量的函数重载

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;
}
//......

然而我们清楚的知道，还有自定义类型，我们是根本不可能写完的…

使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

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
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？

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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

模板又可分为函数模板和类模板

二、函数模板

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。

2.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)
{}

例如下面的例子

template <typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
  T c = a;
  a = b;
  b = c;
} 
int main()
{
  double a = 1.1, b = 1.2;
  Swap(a, b);
  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)，我们暂且可以认为这两种写法都是一样的，等价的

而且我们函数模板参数也可以是多个不同的参数，模板参数只在其后面的一个函数有效。它在写函数的时候可以是函数的任意一个地方，可以是函数形参列表中出现类型，也可以是返回值也可以是函数体

template<typename T1,typename T2>
void Func(const T1& x, const T2& y)
{
  cout << x << " " << y << endl;
}
int main()
{
  int a = 1;
  double b = 1.1;
  Func(a, b);
  return 0;
}

3.函数模板的原理

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

函数模板实际上并不是调用这个模板函数。而是自动根据类型推导函数。去调用对应的函数。我们可以从汇编的角度去验证这一点

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。

对于类类型，指针类型等等都是可以自动推导的。同样的在库里面也有一个swap函数。就是使用模板来实现的，我们以后就可以直接使用swap函数了

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

如下代码所示

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;
  cout << Add(a1, a2) << endl;
  cout << Add(d1, d2) << endl;
  //cout << Add(a1, d1) << endl;
  cout << Add(a1, (int)d1) << endl;
  return 0;
}

这段代码中被注释掉的那行是错误的。因为T的类型不明确。也很好理解，处理方法就是强制类型转换。或者也可使用显示实例化

2.显示实例化

我们将上面的代码改写成这样就是显示实例化了，其中<>用于指定类型。在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

cout << Add<int>(a1, d1) << endl;
  cout << Add<double>(a1, d1) << endl;

但是我们一般都不是这样适合用显式实例化的，我们一般都是这样才使用的，我们无法自动推导的时候，我们就只能显式实例化了

template<class T>
T* Alloc(int n)
{
  return new T[n];
}
int main()
{
  double* p1 = Alloc<double>(5);
}

5.模板参数的匹配原则

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;
}
// 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
}

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
}

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

当我们写一个栈的时候，我们可能需要使用int类型的栈，char类型的栈，double类型的栈…这时候我们就需要使用函数重载了

typedef int DataType;
class StackInt
{
public:
  StackInt(size_t capacity = 3)
  {
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
    if (NULL == _array)
    {
      perror("malloc申请空间失败!!!");
      return;
    }
    _capacity = capacity;
    _size = 0;
  }
  void Push(DataType data)
  {
    // CheckCapacity();
    _array[_size] = data;
    _size++;
  }
  // 其他方法...
  ~StackInt()
  {
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = NULL;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  DataType* _array;
  int _capacity;
  int _size;
};
typedef double DataType;
class StackDouble
{
public:
  StackDouble(size_t capacity = 3)
  {
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
    if (NULL == _array)
    {
      perror("malloc申请空间失败!!!");
      return;
    }
    _capacity = capacity;
    _size = 0;
  }
  void Push(DataType data)
  {
    // CheckCapacity();
    _array[_size] = data;
    _size++;
  }
  // 其他方法...
  ~StackDouble()
  {
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = NULL;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  DataType* _array;
  int _capacity;
  int _size;
};
int main()
{
  StackInt s1; // int
  StackDouble s2; // double
  // char
  // int*
  // Date
  return 0;
}

然而这样实在太麻烦了…而且一旦未来需要增加或者修改一些接口，同样的代码需要改很多份…

1.类模板的格式

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

为了处理上面的情况，我们就需要使用类模板了。它的思路与函数模板是一致的，让编译器去帮我们干活

template<class T>
class Stack
{
public:
  Stack(size_t capacity = 3)
  {
    //_array = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
    //if (NULL == _array)
    //{
    //  perror("malloc申请空间失败!!!");
    //  return;
    //}
    _array = new T[capacity];
    _capacity = capacity;
    _size = 0;
  }
  void Push(const T& data)
  {
    // CheckCapacity();
    _array[_size] = data;
    _size++;
  }
  // 其他方法...
  ~Stack()
  {
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = NULL;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  T* _array;
  int _capacity;
  int _size;
};
int main()
{
  Stack<int> st1;
  Stack<double> st2;
  Stack<char> st3  ;
  return 0;
}

利用类模板就可以极大的简化代码，但是还存在一个问题就是如何声明和定义分离。这对于类模板而言还是有一些不同的

我们还需要加上没模板参数列表
我们在使用域作用限定符的时候还需要指明模板参数
普通类，类类型和类名是一样的
类模板，类类型和类名是不一样的
类名：Stack
类名：Stack< T >
不可以分文件进行分类。

template<class T>
class Stack
{
public:
  Stack(size_t capacity = 3);
  void Push(const T& data);
  // 其他方法...
  ~Stack()
  {
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = NULL;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  T* _array;
  int _capacity;
  int _size;
};
int main()
{
  Stack<int> st1;
  Stack<double> st2;
  Stack<char> st3  ;
  return 0;
}
template<class T>
Stack<T>::Stack(size_t capacity = 3)
{
  //_array = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
  //if (NULL == _array)
  //{
  //  perror("malloc申请空间失败!!!");
  //  return;
  //}
  _array = new T[capacity];
  _capacity = capacity;
  _size = 0;
}
template <class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
  // CheckCapacity();
  _array[_size] = data;
  _size++;
}

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

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