C++基础（6）——模板初阶

news/2024/10/3 18:03:25 标签: c++, 开发语言

目录

1.泛型编程

2.函数模板

2.1函数模板的概念

2.2 函数模板格式 

2.3 函数模板的原理

2.4 函数模板的实例化

2.4.1隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

2.4.2显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

2.5 模板参数的匹配原则

2.5.1一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

2.5.2 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

2.5.3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

3.1类模板的定义格式

3.2 类模板的实例化

1.泛型编程

我们可以回顾一下在C语言中我们是如何实现值的交换的，我们可能会用到这个方法：

template<typename T>

void Swap( T& left,  T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}

是不是很熟悉，如果你很熟悉，那么请跳过它。

其实我们C语言里面是用的这个：

// 交换两个整型
void Swapi(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swapd(double* p1, double* p2)
{
	double tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

在我们学习了c++的函数重载和引用后，我们又有了新的方法：

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;
}

也许你觉得这样已经很好了，其实不然，它也存在这不足之处：
1、重载的多个函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要出现新的类型需要交换，就需要新增对应的重载函数。
2、代码的可维护性比较低，其中一个重载函数出现错误可能意味着所有的重载函数都出现了错误。 

我们可以结合生活实际想想，我们在完成一些很单一的事情时，会干嘛？比如工人们铸铁，餐饮店制冰块。我们常常会用到一个叫模具的东西。

在C++中也有模板这个东西，泛型编程由此而来。

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。

2.函数模板

2.1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 函数的特定类型版本。

2.2 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：

template<typename T>

void Swap( T& left,  T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}

注意：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以用class代替，但是不能用struct代替。

2.3 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。

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。

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。

2.4.1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<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	int c = Add(a, b); //编译器根据实参a和b推演出模板参数为int类型
	return 0;
}

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

int a1 = 10, a2 = 20;
 
double d1 = 10.0, d2 = 20.0;

Add(a1, d1);

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。

2.4.2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<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 1.1;
	int c = Add<int>(a, b); //指定模板参数的实际类型为int
	return 0;
}

注：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

2.5.1一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

 }

2.5.2 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

 }

2.5.3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

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int a = Add(2, 2.2); //模板函数不允许自动类型转换，不能通过编译
    return 0;
}

注：也就是说，2不能转成2.0，2.2不能转成2

3.类模板

3.1类模板的定义格式

template<class T1,class T2,…,class Tn>
class 类模板名
{
  //类内成员声明
};

template<typename T>
class Stack
{
public:
 Stack(size_t capacity = 4)
 {
 _array = new T[capacity];
 _capacity = capacity;
 _size = 0;
 }
void Push(const T& data);
private:
 T* _array;
 size_t _capacity;
 size_t _size;
};
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
 // 扩容
 _array[_size] = data;
 ++_size;
}
int main()
{
 Stack<int> st1;    // int
 Stack<double> st2; // double
 return 0;
}

注意：类模板中的成员函数若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。除此之外，类模板不支持分离编译，即声明在x.h文件中，而定义却在x.cpp文件中。 

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面根<>，然后将实例化的类型放在<>中即可。

Stack<int> st1;    // int

Stack<double> st2; // double

注意：Stack是类名，Stack<int>才是类型，实例化的结果才是真正的类。


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