【C++】模板初级

泛型编程

当我们之前了解过函数重载后可以知道，一个程序可以出现同名函数，但参数类型不同。

//整型
void Swap(int& x, int& y)
{
  int tmp = x;
  x = y;
  y = tmp;
}
//浮点型
void Swap(double& x, double& y)
{
  double tmp = x;
  x = y;
  y = tmp;
}
//字符型
void Swap(char& x, char& y)
{
  char tmp = x;
  x = y;
  y = tmp;
}
int main()
{
  int a = 1, b = 2;
  Swap(a, b);
  double c = 3, d = 4;
  Swap(c, d);
  char e = 'a', f = 'b';
  Swap(e, f);
  return 0;
}

大家可以发现，使用函数重载虽然可以实现，但不足之处也很明显：

1.重载的函数仅仅时类型不同，代码的复用率比较低，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都出错。

那么在C++中就存在这样一种方式，类似于存在一种模具，通过给这个模具填充不同的材料（类型），来获得不同材料的铸件（即生成具体类型的代码）。

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。

函数模板

函数模板的概念

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特定类型模板

函数模板格式

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
  T tmp = x;
  x = y;
  y = tmp;
}
int main()
{
  int a = 1, b = 2;
  Swap(a, b);
  double c = 3, d = 4;
  Swap(c, d);
  char e = 'a', f = 'b';
  Swap(e, f);
  return 0;
}

观察上面代码，格式为：

template<<typename T1,typename T2,…,typename Tn>>

返回值类型 函数名(参数列表){ }

• 注意
  1.这俩部分是相对应的，存在一个函数，就需要在函数上面增加一段template的声明
  2.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）

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编译器。

通过反汇编的方式观察下面这段代码：

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。

例如：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、整型类型也是如此。

函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板，称为函数模板的实例化。

模板参数实例化分为：隐式实例化和显示实例化。

模板参数实例化

隐式实例化

显式实例化

• 隐式实例化：即让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

当函数传参时，存在不同的俩个类型时，可以使用隐式实例化。

template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
  return x + y;
}
int main(void)
{
  int a = 1;
  double b = 1.2;
  Add(a, (int)b);
  Add((double)a, b);
  return 0;
}

• 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
  return x + y;
}
int main(void)
{
  int a = 1;
  double b = 1.2;
  Add<int>(a, b);
  Add<double>(a, b);
  return 0;
}

程序运行时如果类型不匹配，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。

模板参数的匹配原则

• 一个非模板函数可以和一个同名函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。
• 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调用时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生一个实例。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
• 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。

类模板

类模板格式

tmplate<class T1, class T2, ... ,class Tn>
class name
{
//类内成员定义
};

以数据结构中的栈为例：

template<class T>
class Stack
{
  //...
private:
  T& _arr;
  int _size;
  int _capacity;
};

当我们需要在顺序表中创建不同的类型时，可以使用类模板。

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面跟<>，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。

template<class T>
class Stack
{
  //声明
  Stack(int capacity = 4);
private:
  T& _arr;
  size_t _size;
  size_t _capacity;
};
//定义
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
  :_capacity(capacity)
  ,_size(0)
{
  _arr = new T[capacity];
}

【注意】对于普通类而言，类名和类是一样的；而对于类模板而言，类名与类型不同。以stack为例子：stack< t >是类型，stack是类名。