C++模板初识——泛型编程、函数模板和类模板

一、泛型编程

1.1 为什么使用泛型编程？

对于编写一个通用的交换函数，我们可以使用函数重载的方式，函数重载的具体细节可以看以下博客：
C++初阶——命名空间、缺省参数和函数重载

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;
}

使用函数重载的方式可以实现通用交换函数，但有以下两个问题

• 函数重载仅是类型不同，代码复用率低，当有新类型出现时就要增加对应函数；
• 代码维护性低，一个出错导致所有的重载均出错。
  因此，人们想到一种办法来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，这就引出泛型编程。

2.2 什么是泛型编程？

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。

二、函数模板

2.1 什么是函数模板？

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 函数模板怎么用？

<1> 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){}
下面举个栗子：

//2.2 
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关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

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。

<1> 函数模板实例化

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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
   
2. 显式实例化：在函数名后的<>指定模板参数的实际类型
   
   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> 模板参数的匹配原则

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
}

int main()
{
    
    
	Test();
	return 0;
}

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
}

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

三、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
{
    
    
// 类内成员定义
};

使用类模板的是为了解决在类中存放不同类型的数据，举个栗子：

// 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)
	{
    
    }
	// 析构函数
	~Vector()
	{
    
    
		if(_pData)
			delete[] _pData;
		_size = _capacity = 0;
	}
	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;
};

这里需要注意，如果我们在类中声明函数在类外定义，那么就需要加入模板参数列表，例如析构函数

3.2 类模板的实例化

如何使用上述类模板呢？

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。

int main()
{
    
    
	Vector<int> s1;
	Vector<double> s2;
	Vector<char> s3;
	return 0;
}