C++泛型编程之模板

目录

一、什么是泛型编程 

二、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

 2.5函数模板的实例化

2.6模板参数的匹配原则

三、类模板

3.1类模板的定义格式

3.2 类模板的实例化

四、非类型模板参数

五、模板的特化

5.1模板特化的概念：

5.2函数模板特化

5.3类模板的特化

5.4模板特化的应用场景

六、模板分离编译 

6.1什么是模板的分离编译

6.2模板的分离编译

6.3解决方案

七、模板总结

---

一、什么是泛型编程 

在C语言中，当我们需要使用函数交换两个int类型的变量的值时，这时肯定可以想到直接定义一个int类型的函数就好了，但是此时又想交换double类型的变量，又会想到定义一个交换double类型的函数，在C++中有人会想到函数重载，如：

#include<iostream>
using namespace std;
void Swapi(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
void Swapd(double& left, double& right)
{
	double temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
void Swapc(char& left, char& right)
{
	char temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 3.000, d = 4.000;
	char e = 'A', f = 'B';
	Swapi(a, b);
	Swapd(c, d);
	Swapc(e, f);
	cout << "a= " << a << ',' << "b= " << b << endl;
	cout << "c= " << c << ',' << "d= " << d << endl;
	cout << "e= " << e << ',' << "f= " << f << endl;
	return 0;
}

虽然这样可以实现，但是代码的复用性太低了，每实现一种类型就得手动实现一个函数。

使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

•  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
• 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

这样是不是很麻烦呢？代码量不仅变多了，代码的复用性也比较低。所以，此时我们就可以使用函数模板来完成函数的编写，如：

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 3.000, d = 4.000;
	char e = 'A', f = 'B';
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	Swap(e, f);
	cout << "a= " << a << ',' << "b= " << b << endl;
	cout << "c= " << c << ',' << "d= " << d << endl;
	cout << "e= " << e << ',' << "f= " << f << endl;
	return 0;
}

模板就如活字印刷术一样，给我们一个模样板子就可以实现出我们想要的字体

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的文字(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。
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) { 函数体 }

template<typename T>//其中typename也可以改为class
void Swap( T& a, T& b)
{
 T temp = a;
 a = b;
 b = 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。

 2.5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
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;
//函数模板
template <class T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	char c = 'A', d = 'B';
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
}

隐式实例化时会发生的冲突

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1;
	double b = 3.000;
	Swap(a, b);//编译阶段报错
}

上面程序中的Swap(a, b);语句会报错，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a将T推演为int，通过实参b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

此时就有两种解决方案，

（1）先强制类型转换在传参

Swap(a, (int) b);
//或
//Swap( (double) a,  b);

（2）显示实例化

②显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T>
void Swap(T a, T b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1;
	double b = 3.000;
//显示实例化
	Swap<int>(a, b);//表示T此时为int类型
   //Swap<double>(a, b); 表示T此时为double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。

2.6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

#include<iostream>
using namespace std;
//专门交换int类型的函数
void Swap(int a,int b)
{
   int tmp = a;
     a = b;
     b = tmp;
}
//通用交换模板函数
template <class T>
void Swap(T a, T b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	char c = 'A', d = 'B';
	Swap(a, b);//与非模板函数匹配，编译器不使用模板实例化int类型函数
	Swap(c, d);//与模板函数匹配，编译器使用模板实例化double类型函数
   //注意下面这行会发生隐式类型转换
    Swap<int>(c,d);//与模板函数匹配，编译器使用模板实例化int类型函数
}

注意：最后一行交换会发生隐式类型转换，产生一个临时变量，这时不能传引用，因为临时变量具有常性

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

#include<iostream>
using namespace std;
//专门交换int类型的函数
void Swap(int a,int b)
{
   int tmp = a;
     a = b;
     b = tmp;
}
//通用交换模板函数
template <class T>
void Swap(T1 a, T2 b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double d=3.000;
	Swap(a, b);// 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Swap(a, d);// 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Swap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
};

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T>
class A
{
public:
	A(T a,T b)
		:_a(a)
		,_b(b)
	{}
	void print()
	{
		cout << _a << ',' << _b << endl;
	}
private:
	T _a;
	T _b;
};
int main()
{
	A<int> a(2,4);//类模板必须显示实例化
	a.print();
}

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
如：

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T>
class A
{
public:
	A(T a,T b)
		:_a(a)
		,_b(b)
	{}
	void print();
private:
	T _a;
	T _b;
};
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>
void print()
{
	cout << _a << ',' << _b << endl;
}
int main()
{
	A<int> a(2,4);
	a.print();
}

因为模板参数也有作用域范围，就如上面的A类，出了A类以后，需要定义print函数时就需要再写一次模板参数，因为类模板的参数的作用域只作用域该类

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
 

//A表示类名，A<int>才表示类型
A<int> a1;
A<double> a2;

注意：类的实例化必须显示实例化

四、非类型模板参数

模板参数分为类型形参与非类型形参。
类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。
非类型形参：就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。

#include<iostream>
using namespace std;
namespace lx
{
	// 定义一个模板类型的静态数组
	template<class T, size_t N = 10>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) 
		{ 
			return _array[index]; 
		}
		const T& operator[](size_t index)const 
		{ 
			return _array[index]; 
		}
		size_t size()const 
		{ 
			return _size; 
		}
		bool empty()const
		{ 
			return 0 == _size;
		}
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

注意：
1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

五、模板的特化

5.1模板特化的概念：

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊的类型可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

#include<iostream>
using namespace std;
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	double d1 = 4.0, d2 = 5.0;
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	double* p1 = &d1;
	double* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

 

 可以发现最后结果和我们的预期的结果不符，我们的本意是为了比较d1、d2的值的大小，结果它比较的却是d1、d2的地址，与我们的本意相违了。那怎么才能让我们达到预期的效果呢?

此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

5.2函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1.  必须要先有一个基础的函数模板
2.  关键字template后面接一对空的尖括号<>
3.  函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4.  函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。
    

#include<iostream>
using namespace std;
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<double*>(double* left, double* right)
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;
	double d1 = 4.0;
	double d2 = 5.0;
	cout << Less(d1, d2) << endl;
	double* p1 = &d1;
	double* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
	return 0;
}

 可以发现此时与预期结果相符了

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

bool Less(double* left, double* right)
{
   return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

5.3类模板的特化

类模板的特化又分为全特化和偏特化

（1）全特化：将模板参数列表中所有的参数都确定化

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Date
{
public:
	Date() { cout << "Date<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//类模板全特化
template<>
class Date<int, char>
{
public:
	Date() { cout << "Date<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Date<int, int> d1;
	Date<int, char> d2;
}

注意：类模板特化模板参数的书写位置

（2）偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本

①部分特化
将模板参数类表中的一部分参数特化

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Date<T1, int>
{
public:
Date() {cout<<"Date<T1, int>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
int _d2;
};

②参数更进一步的限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本,如：

特化为指针类型

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

特化为引用类型 

//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
	}

调用方式

Data<double , int> d1; // 调用特化的int版本
Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
Data<int *, int*> d3; // 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本

5.4模板特化的应用场景

当我们需要定义一个仿函数的时候，一般都是使用类模板来定义的，如：

template<class T>
struct Less
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
   return x < y;
}
};

在C++标准库中的排序sort就是有一个传该类型的模板参数进行排序的
 

#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	double d1 = 3.0;
	double d2 = 4.0;
	double d3 = 2.0;

	vector<double> v1;
	v1.push_back(d1);
	v1.push_back(d2);
	v1.push_back(d3);
	// 可以直接排序，结果是升序
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less<double>());
	auto it = v1.begin();
	while (it != v1.end())
	{
		printf("%lf ", *it);
		it++;
	}
  return 0;
}

可以发现完成了排序，但当我们传的地址进去呢？

#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	double d1 = 3.0;
	double d2 = 4.0;
	double d3 = 2.0;

	vector<double*> v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	// 可以直接排序，结果错误,不是升序，而v2中放的地址是升序
	// 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
	// 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<double*>());
	auto it1 = v2.begin();
	while (it1 != v2.end())
	{
		cout << *(*it1) << ' ';
		it1++;
	}

	return 0;
}

 

 可以发现它的结果并不是升序，与我们想要的结果不符，为什么会这样呢？

原因：它调用sort函数排序时，比较的是我们传进去的地址，而不是传进去的地址存的值，所以它给地址排了个序。

这样显然不是我们想要的，所以这时就可以使用模板的特化来处理了

#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<double*>
{
	bool operator()(double* x, double* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};
int main()
{
	double d1 = 3.0;
	double d2 = 4.0;
	double d3 = 2.0;

	vector<double*> v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	// 可以直接排序，结果错误,不是升序，而v2中放的地址是升序
	// 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
	// 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<double*>());
	auto it1 = v2.begin();
	while (it1 != v2.end())
	{
		cout << *(*it1) << ' ';
		it1++;
	}

	return 0;
}

 

这就得到了我们预期的结果，所以模板的特化还是至关重要的。

六、模板分离编译 

6.1什么是模板的分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。

6.2模板的分离编译

 模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}

这样会发生报错，原因如下： 

 

如果模板声明和定义在不同的文件中，那么在链接的阶段就会找不到函数的地址而发生报错，所以建议 模板的声明和定义在同一个文件中

6.3解决方案

①将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}

②模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
//函数显示实例化，为int类型
template
int Add<int>(const int& left,const int& right);
//类显示实例化,为int类型
//template
//vector<int>;
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}

这种方法是直接在函数或类定义的文件中实例化，等调用的时候就可以找到该地址了，因为链接时，它们已经实例化了，有了地址进入了符号表，在符号表中就能找到它们的地址，从而不会报错。但这种方法的弊端很明显，每次换一个类型就得自己显示实例化一次，这样就显得有些呆板和麻烦了，所以不推荐这种方法。

七、模板总结

1.优点

• 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生
•  增强了代码的灵活性

2.缺点

• 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
• 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

模板的知识就分享到这了，有遗漏或错误还望指出，如果对你有所帮助的话给波关注呗，感谢支持，886！