C++模版初阶

目录

1.泛型编程

2.函数模版

2.1 函数模版概念

2.2 函数模版格式

2.3 函数模版的原理

2.4 函数模版的实例化

2.5 模版参数的匹配原则

3.类模版

3.1 类模版的定义格式

3.2 类模版的实例化

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1.泛型编程

如何实现一个通用的交换函数？

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

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?

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.函数模版

2.1 函数模版概念

函数模版代表了一个函数家族，该函数模版与类型无关，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 函数模版格式

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

返回值类型 函数名（参数列表）{}

template<typename T>
void Swap(T& left,T& right){
    T tmp = left;
    left = right;
    right = tmp;
}
 
int main(){
    int x = 10;
    int y = 20;
    Swap(x, y);
    return 0;
}

注意：typename是用来定义模版参数关键字，也可以使用class（切记：不能使用struct代替class）

2.3 函数模版的原理

函数模版是一个蓝图，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。所以其实模版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，对于模版函数的使用，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double类型使用函数模版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 函数模版的实例化

用不同类型的参数使用函数模版时，称为函数模版的实例化。模版参数实例化分为：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版参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& x,const T& y){
    return x+y;
}
 
int main() {
    int a1 = 10, a2 = 20;
    double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    
    cout<<Add(a1, a2)<//成功
    cout<<Add(d1, d2)<//成功
    Add(a1, d1);//会报错
    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

此时有三种处理方式:1. 用户自己来强制转化

Add(a, (int)d);

2.显式实例化：在函数名后<>中指定模版参数的实际类型 

template<class T>
T Add(const T& x,const T& y){
    return x+y;
}
 
int main(){
    int a = 10;
    double b = 20.9;
    
    //显式实例化
    cout << Add<int>(a, b) << endl;
    return 0;
}
 
输出：30//并没有四舍五入

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。

3.增加模版参数

template<class T1, class T2>
auto Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "auto Add(T1 left, T2 right)" << endl;
 
	return left + right;
}

2.5 模版参数的匹配原则

1.一个非模版函数可以和一个同名的函数模版同时存在，而且该函数模版还可以被实例化为这个非模版函数

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left , int right){
    return left+right;
}
 
template<class T>
// 通用加法函数 template
T Add(T left, T right) {
    return left + right;
}
 
void Test() {
    int x = Add(1,2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
    int y = Add<int>(1,2); // 调用编译器特化的Add版本
}
 
int main(){
    Test();
    return 0;
}

2.对于非模版函数和同名函数模版，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模版函数而不会从该模版产生出一个实例。如果模版可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模版

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left , int right){
    return left+right;
}
 
template<class T>
// 通用加法函数
T Add(T left, T 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
    cout << 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.如果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.类模版

3.1 类模版的定义格式

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

// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
    Stack(size_t capacity = 4)
    {
        _array = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
        if (nullptr == _array)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }
        _capacity = capacity;
        _size = 0;
    }
 
    void Push(const T& data);
private:
    T* _array;
    size_t _capacity;
    size_t _size;
};
 
// 模版不建议声明和定义分离到.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
// 要分离也分离在.h
template<class T>
 
// 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
void Stack::Push(const T& data)
{
    // 扩容
    _array[_size] = data;
    ++_size;
}
 
int main()
{
    Stack<int> st1;    // int
    Stack<double> st2; // double
 
    return 0;
}

3.2 类模版的实例化

类模版实例化与函数模版实例化不同，类模版实例化需要在类模版名字后跟<>，然后将实例化的函数类型放在<>中即可，类模版名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

//Stack类名，Stack才是类型
Stack<int> st1;    // int
Stack<double> st2; // double