C++ 模板初阶【函数模板，类模板】-编程知识

文章目录

泛型编程
函数模板
- 概念
- 函数模板的格式
- 函数模板的原理
- 函数模板的实例化
- - 隐式实例化:让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
  - 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
- 函数模板的匹配规则
类模板
- 概念
- 类模板格式
- 类模板的实例化

泛型编程

在我们敲代码的时候，我们一般都是怎样实现的一个交换函数的的？
例如：

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;
}.........

但是使用函数重载要交换的类型少还好，倘若类型多的话会让程序变得冗杂，那么C++ 在这个问题上就有了模板这一概念
就好比：
在这里插入图片描述 C++提供了这样一个模具，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。感谢前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉嘿嘿。
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。

模板被分为函数模板和类模板两种

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。

函数模板的格式

函数模板允许我们为不同的数据类型创建一个函数形式，它使用一个代表类型的"占位符"（通常称为模板参数）。当编译器遇到对该模板函数的具体调用时，它会根据传入的实际数据类型来实例化一个相应的函数。

template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){}

就用刚才交换函数举例子：

template <typename T>
void Sweap(T& n1, T& n2)
{T temp = n1;n1 = n2;n2 = temp;
}

其中T就是我们之前打比方的占位符（模板参数），而编译器会根据你传过来的数值判断进而实现不需要数据类型的通用模板
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)

函数模板的原理

那么我们的祖师爷是怎么样实现的函数模板来让我们“偷懒”的呢？

其实：
函数模板的原理是基于C++编译器的模板实例化能力。函数模板允许你定义一个蓝本，但是这个蓝本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，编译器则利用这个蓝本为不同类型生成具体的函数实例。这个过程叫做模板实例化。所以就是通过编译器减少我们的工作量。
在这里插入图片描述
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。
所以例如：

template <typename T>
void Sweap(T& n1, T& n2)
{T temp = n1;n1 = n2;n2 = temp;
}

中typename T 告诉编译器，T 是一个待定的类型，swap 函数可以用任何类型的 a 和 b 来实例化。当你调用 swap(x, y)，并且 x 和 y 是 int 类型时，编译器自动生成一个处理 int 类型的 swap 函数版本。如果 x 和 y 是 double 类型，则生成一个处理 double 类型的版本

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。

隐式实例化:让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}
int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double b1 = 10.1, b2 = 20.2;cout << Add(a1, a2) << endl;cout << Add(b1, b2) << endl;return 0；
}

在这里有一个细节：
在这里插入图片描述
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b1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 Add(a1, b1);

此时有两种处理方式：

用户自己来强制转化

	cout << Add(a1, (int)b2) << endl;//或者cout << Add((double)a1, b2) << endl;

使用显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);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。

函数模板的匹配规则

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

// 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
}

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

类模板

概念

有了函数模板的铺垫，类模板我们理解起来也顺理成章。类模板允许在定义类的时候使用一个或多个占位符表示成员变量或成员函数中的某些类型。类模板非常适合用来创建如容器（如数组、链表等）等数据结构。

类模板格式

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

示例：

// 动态顺序表
// 注意：Vector不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template<class T>
class Vector
{ 
public :Vector(size_t capacity = 10): _pData(new T[capacity]), _size(0), _capacity(capacity){}// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。~Vector();void PushBack(const T& data)；void PopBack()；// ...size_t Size() {return _size;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _pData[pos];}private:T* _pData;size_t _size;size_t _capacity;
};
// 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>
Vector<T>::~Vector()
{if(_pData)delete[] _pData;_size = _capacity = 0;
}

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。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;