前言
泛型编程是C++继面向对象编程之后的又一个重点，是为了编写与具体类型无关的代码。而模板是泛型编程的基础。模板简单来理解，可以看作是用宏来实现的，事实上确实有人用宏来实现了模板类似的功能。模板，也可以理解为模具行业的模型。根据分类，有函数模板和类模板。根据传入的不同模板参数，函数模板会生成不同模板函数。类模板则生成不同的模板类。
模板参数
1. 概念
模板定义以关键字template开始，<>中是模板参数列表(template parameter list)，模板参数列表即表示可以是一个或多个模板参数(template parameter)。
l 模板实参则是在实例化函数模板或是类模板时的类型或值。
l 模板形参是通过模板实参推导出来的或是直接显式指定。
l 模板参数和普通函数参数一样，可以有默认值参数。
2. 模板形参分类
l 类型参数(type parameter)
表明这个模板参数是一个类型。
template<class/typename T, ……>
l 非类型参数(nontype parameter)
表明这个模板参数不是一个类型，而是常量数值，只能是整形、指针和引用。
template<int N, ……>
template<class/typename T, int N, ……>
// 例
template<const int* pM>
void Test1(){}
template<const char M>
void Test2()
{
int nArr[M] = {0};
}
class A{};
template<A& AA>
void Test3(){}
const int n = 4;
extern const int arr[] = {1, 2, 3};
A a;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
Test1<arr>();
Test2<n>();
Test3<a>();
return 0;
}
3. 模板实参
l 模板实参推断(template argument deduction)
编译器使用函数调用中的实参类型来推断出模板实参，然后用这些实参生成对应的函数。
l 显式模板实参(explicit template argument)
类模板生成具体的模板类，都是显式模板实参来实现的。
MyClass<int> myClass;
Set<int>(4);
有些模板函数没有实参，这时就必须通过显式模板实参来生成对应的模板函数。
模板函数有实参，但是类型可能无法正确推导，这时也可以加上显式模板实参的。
模板函数有实参，并且能够正确推导类型，这个时加与不加显式模板实参均可。
函数模板
1. 概念
函数模板，就是根据模板形参的不同，生成不同的模板函数。
template<class/typename T, ……>
retType FunctionName(parameter)
{
// Function Body
}
class和typename在此处意义一样，只是用class容易被人误解为后面的形参T是类。
函数模板在没有实例化时，只是一个生成函数的模板。
而在具体的实例化之后，即指明具体的形参，就生成了一个具体的模板函数。
2. 声明和定义
函数模板与普通函数一样，声明与定义可以分开，也可以一起。
l 声明
template<typename T>
bool Compare(T t1, T t2);
l 定义
template<typename T>
bool Compare(T t1, T t2)
{
return (t1 > t2);
}
类模板
1. 概念
类模板根据模板形参的不同，生成不同的模板类。
template<class/typename T, ……>
class ClassName
{
// Class definition
};
类模板，在没有实例化之前，只是一个生成类的模板。
而在具体的实例化之后，其实就生成了一个具体的模板类。
2. 声明与定义
l 声明
template<class/typename T>
class ClassName
{
// Class Declaration
void Test();
};
l 定义
直接在类模板内部定义成员函数，也可以在模板类的外部定义成员函数。
template<class/typename T>
void ClassName<T>::Test()
{
}
l 前置声明
和普通的函数声明一样，参数指明与不指明均可。
template<class/typename T> class ClassName;
template<class/typename> class ClassName;
类的类型成员
1. 概念
T::size_type *p;
编译器无法识别上面是定义一个指针变量p，还是一个T中的一个静态成员变量size_type与变量p相乘。
所以引入了typename来标识后面T::后面的类型，而不是变量。注意此处只能用typename，不能用class。
struct NEW_TYPE
{
public:
typedef int n_size;
};
template<typename T>
typename T::n_size Set(typename T::n_size _n)
{
typename T::n_size m = 2;
T::n_size n = 3;
T::n_size* p;
return n;
}
VS编译器不能识别T::n_size是一个静态常量还是一个类型，所以这个时候需要用typename来标识它是一个类型。VS编译器能够识别T::n_size* p;经测试返回类型以及形参类型时必须用typename指定其为类型。
模板编译与链接
1. 编译
C++是采用声明和实现分在两个文件中，因为这样可以使用分离编译。编译每个cpp文件，如果遇上外部函数只需要记录其名字即可。模板代码，一般放在hpp文件中，即声明和实现代码在一起。因为C++是编译型语言而不是解释型语言，所以模型的具体实现代码编译时必须确定下来。模板在某种程度上，类似于宏，甚至有人用宏实现类似模板的功能。很多时候一个类模板会包括很多功能，为了防止代码膨胀，编译模板时编译器会自动识别用到的函数，用到的类，也就是只编译用到的。也就是我们模板中，有一些函数如果没有用一以，哪怕其中有语法错误，也不会被编译到，自然也就不会报错了。
那么在多个CPP文件中用到了相同形参的函数模板，因为CPP是分离编译的，所以每个CPP文件中都会编译出一个相同的模板函数
2. 链接
每个Cpp编译之后，生成一个obj的目标文件，然后链接器链接这些目标文件生成DLL或exe。链接的过程中，链接器会检查是否有重复定义，抑或库冲突之类的。链接的时候，链接器会使用前面已经生成的模板函数，自动放弃后面生成的模板函数，这样能够防止重复定义以及可能避免代码膨胀导致的exe增大。这种方式导致的一个坏处是，大幅增加编译时间，因为用到的模板都会实例化并进行编译。
模板能不能使用分离编译呢？网上基本上都说不能，理由是模板实现代码放在CPP中时，并不知道具体的模板参数类型，所以无法编译。既然无法知道模板的具体形数，那么就解决这个问题,告诉编译器具体的形参。
显式实例化
1. 概念
显式实例化(explicit instantiation)，就是显式地告诉编译器模板形参的类型或值。
extern template declaration; // 外部实例化声明
template declaration; // 实例化定义
extern template void Test<int>(const int& _t);
template void Test<int>(const int& _t);
extern template class Ctest<char*>;
template class Ctest<char*>;
extern在修饰模板声明时的作用与声明全局变量的作用一样，就是告诉编译器，当前修饰的声明已经在其他CPP文件中定义。
实例化定义，一种是直接显式实例化，另一种是隐式实例化即编译器识别到CPP中有模板的实例化代码也同样会实例化。
外部实例化声明是为了解决重复实例化，提升编译效率。但是习惯了声明和定义分开的编程习惯。我们同样可以用显式实例化来分离编译。函数模板和类模板的显式实例化方法一样的。
2. 实例
h文件只用来存放模板声明
// fun.h file
template<typename T>
void Test(const T& _t);
cpp文件存放定义及具体的实例化定义，即显式实例化。这样实例化肯定只有一次，并且结构清晰。这种方式适用于模板实例化的具体类型不多的情况。因为如果模板是库文件，不停修改是不方便的。
// fun.cpp file
template void Test<int>(const int& _t);
template void Test<float>(const float& _t);
template<typename T>
void Test(const T& _t)
{
T t = _t;
}
尾置返回类型
1. 概念
尾置返回类型(trailing return type)是在形参列表后面以->符号开始标明函数的返回类型，并在函数返回类型处用auto代替。尾置返回类型即可以直接指明类型，也可以用decltype推出出类型
2. 实例
auto Function(int i)->int
auto Fun3(int i)->int(*)[5] // 返回指定数组的指针
int n = 10;
auto Function(int i)->decltype(n)
template<class T, class W>
auto Function(T t, W w)->decltype(t+w)
{
return t +w;
}
// 如果是自定义类型,则应该重载+实现t+w
3. 备注
注：C++14中，已经将尾置返回类型去掉了，可以直接用auto推导出类型。
参考：msdn.microsoft.com/en-us/library/dd537655(v=vs.100).aspx
函数模板指针
1. 普通函数指针
因为C++要兼容C，所以函数名加&与不加都表示函数指针。
l 实例化的模板函数的指针
template<typename T>
void Test(const T& _t)
{
T t = _t;
}
typedef void (*pTest)(const int& _t);
pTest p = Test<int>;
pTest pT = &Test<float>;
p(3);
l 用模板参数来指代函数指针
template <typename T, typename NAME_TYPE>
void TestFun(T fun, NAME_TYPE n)
{
fun(n);
}
TestFun(Test<int>, 4);
TestFun(&Test<double>, 4.0); // 用&与否均可
2. 类成员函数指针
l 类静态成员函数指针
和普通函数指针一样，都是__cdecl的调用方式，只能直接调用。
CMyClass<int>::pFunCalc pCalc = CMyClass<int>::Calc;
pCalc();
l 类成员函数指针
成员函数指针声明时必须是&ClassName::,这是自VS2005之后就必须要求，以前类名加与不加&均可。其实不加&不规范，因为函数名并不是指针。函数名是对象，取地址是才是指针。自VS2005之后，类函数名指针必须加&。并且类函数指针调用时，必须指明调用对象标明是__thiscall的调用方式(这是类函数特有的调用方式，因为它会将类指针作为参数传递进去)。
CMyClass<int> myClass;
CMyClass<int>::pFunSetValue pSet =& CMyClass<int>::SetValue;
myClass.SetValue(4);
(myClass.*(&CMyClass<int>::SetValue))(4);
(myClass.*pSet)(4);
myClass.TestFun(pSet, 4);
myClass.TestFun(&CMyClass<int>::SetValue, 4);
// 模板代码
template<typename T>
class CMyClass
{
public:
// 普通函数的参数传递方式,默认可以不加__cdecl
typedef int (__cdecl *pFunCalc)();
// 标识这是一种__thiscall的参数传递方式,类成员函数特有的
typedef void (CMyClass::*pFunSetValue)(const T& _t);
public:
void TestFun(pFunSetValue _pFun, const T& _t)
{
// 成员函数指针必须指明调用对象标明是__thiscall的调用方式
(this->*_pFun)(_t);
(this->*(&CMyClass<T>::SetValue))(4);
// 静态函数和普通一样,不用指明调用对象,表明__cdecl的调用方式
(*(&CMyClass<T>::Calc))(); }
void SetValue(const T& _t)
{
m_t = _t;
}
static int Calc()
{
T t = 2;
return t*2;
}
private:
T m_t;
};
// 在另外的类中使用成员函数指针
template<typename T>
class CMyTest
{
public:
typedef void (CMyClass <T>::*pFunSet)(const T& t);
void TestFun(MyClass<T>* p, pFunSet fun, T t)
{
(p->*fun)(t);
}
void Test(MyClass<T>* p, typename CMyClass <T>:: pFunSetValue fun, T t)
{
(p->*fun)(t);
}
};
模板特化与偏特化
1. 概念
l 模板的特化
即模板的特殊化，即模板的通胀算法不能满足特殊实例。那么即需要单独的代码来处理特殊的实例。而实例是根据不同的形参类型决定的。特化就是处理模板的某一特殊模板形参。形式：
template<typename T1, typename T2> class Test{};
template<typename T1, typename T2> void Set(T1 t1, T2 t2){}
// specialization
template<> class Test<int, int>{};
template<> void Set(int t1, int t2){}
// call the special function
Test<int, int> test;
Set(4, 3);
Set<int, int>(4, 3);
l 模板的偏特化
模板的偏特化只能用于类模板，不能用于函数模板，函数模板只有重载。
template<typename T1, typename T2> class Test{};
template<typename T1, int N> class TestNon{};
// partial specialization
template<typename T1> class Test<T1, int>{};
template<typename T1> class TestNon<T1, 5>{};
Test<char*, int> test;
TestNon<int, 5> testNon;
2. 应用
因为特化和偏特化均是在编译时实现的。所以我们能够将一些逻辑判断移到编译期来做。这样能够提前测试代码，因为编译期发现错误比运行过程中容易。模板元编程就是这样实现的。另外我们可以用特化来处理一些异常。将异常情况移到特化代码中处理，这样主代码的逻辑就会更简单清晰。
l 类型模板形参
// Boost中一个例子。
template< typename T >
struct is_pointer
{
static const bool value = false;
};
template< typename T >
struct is_pointer< T* >
{
static const bool value = true;
};
这样我就可以通过is_pointer<T>::value来判断当前类型是否为指针类型。
l 非类型模板形参
Template<bool b>
Struct algo_sort
{
Template<typename T>
Static void sort(T& obj)
{
Quick_sort(obj);
}
}
Template<>
Struct algo_sort<true>
{
Template<typename T>
Static void sort(T& obj)
{
Select_sort(obj);
}
}
这样就能够通过模板形参的不同调用不同的排序方法。
仿函数
1. 概念:
仿函数(functor)，就是使一个类的使用看上去像一个函数。其实现就是类中实现一个operator()，这个类就有了类似函数的行为，就是一个仿函数类了。
// alg_for_each.cpp
// compile with: /EHsc
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
// The function object multiplies an element by a Factor
template <class Type>
class MultValue
{
private:
Type Factor; // The value to multiply by
public:
// Constructor initializes the value to multiply by
MultValue ( const Type& _Val ) : Factor ( _Val )
{
}
// The function call for the element to be multiplied
void operator ( ) ( Type& elem ) const
{
elem *= Factor;
}
};
int main( )
{
std::vector< int> v1;
std::vector< int>::iterator Iter1;
// Constructing vector v1
for ( int i = -4 ; i <= 2 ; i++ )
{
v1.push_back( i );
}
// Using for_each to multiply each element by a Factor
std::for_each ( v1.begin ( ) , v1.end ( ) , MultValue<int> ( -2 ) );
}
2. 解析
上面标注为红色的代码，因为类MultValue重载了括号运算符，光看代码，很容易将这里理解成了括号运算。但这是错误的理解。首先我们回到for_each这个函数本身的理解上来，MSDN对第三个参数给出的解释：User-defined function object that is applied to each element in the range. 可以知道，第三个参数是一个函数对象。
这里就需要我们有这样一个概念，如果一个类重载了括号运算符，那么这个类建立的对象就具有类似函数的功能。这样的话，那么第三个参数就可以是一个重载了括号的对象了。
MultiValue<int>& mValue = MultValue<int> ( -2 );
for_each ( v1.begin ( ) , v1.end ( ) , mValue); // 1
for_each ( v1.begin ( ) , v1.end ( ) , MultValue<int> ( -2 ) ); // 2
直接用上面这种方式来写会好理解多了。再来理解MultValue<int> (-2)这样一句代码，它直接生成了一个无名的临时对象，然后初始化一个引用。MultValue<int> (-2)；这样的一句话，将直接调用构造函数生成一个无名的临时对象。这样看来，上面的语句1和语句2其实是一个意思。
for_each函数的第三个函数本来可以直接用一个用户定义的函数来完成，但是为什么MSDN中多用重载类的括号运算符来完成这样的功能呢？通过上面的例子，我们可以发现，主要表现类的构造函数上，可以初始化不同的参数，这一点是自定义的函数所不具备的。另外，利用结构体还能把可能用到的函数封装到一个结构体中，便于管理。
这样回头看以前常用的sort函数。
vector<int> vInt;
sort(vInt.begin(), vInt.end(), greater<int> ());
sort(vInt.begin(), vInt.end(), less<int> ());
// STL中的less<int>的代码.
// TEMPLATE STRUCT less
template<class _Ty>
struct less
: public binary_function<_Ty, _Ty, bool>
{ // functor for operator<
bool operator()(const _Ty& _Left, const _Ty& _Right) const
{ // apply operator< to operands
return (_Left< _Right);
}
};
// 在C++中struct基本上和class一个意思
greater<int>()和less<int>()也是直接构建一个无名对象，然后调用重载的括号运算符。
其他
l 函数模板可以重载，和普通函数重载类似，函数模板重载某些时候能也达到特化的效果。
template<typename M, typename N> void TestSpec(M m, N n){}
template<typename M> void TestSpec(M m, int n){}
void TestSpec(int m ,int n){}
l 类模板中，还可以添加成员模板函数。
l 友元模板类需要前到前置声明。
l 派生类只能从模板类派生(类模板的一个实例化)。