C++函数模板及实现原理

C++为我们提供了函数模板机制。所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体指定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就称为函数模板。

凡是函数体相同的函数都可以用这个模板来代替，不必定义多个函数，只需在模板中定义一次即可。在调用函数时系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现了不同函数的功能。

为什么要有函数模板

下面，我们就通过一个例子来说明为什么需要有函数模板。

需求：写n个函数，交换char类型、int类型、double类型变量的值。

如果不适用函数模板的话，我们的代码需要这样写：

void swap(int &a, int &b)
{
	int t = a;
	a = b;
	b = t;
}

void swap(char &a, char &b)
{
	char t = a;
	a = b;
	b = t;
}

这样的代码总是很麻烦，几乎一样的代码却要重复写很多次，因为，我们就出现了函数模板机制。有了函数模板之后，我们的代码可以这样写：

#include<iostream>
using namespace std;

//template 关键字告诉C++编译器 我要开始泛型了.你不要随便报错  
//数据类型T 参数化数据类型
template <typename T>
void myswap(T &a, T &b)
{
	T t;
	t = a;
	a = b;
	b = t;
}

void main()
{
	int  x = 1;
	int	 y = 2;
	myswap(x, y); //自动数据类型 推导的方式 
	
	float a = 2.0;
	float b = 3.0;
	myswap(a, b); //自动数据类型 推导的方式 
	
	myswap<float>(a, b); //显示类型调用 

	cout<<"hello..."<<endl;
	return ;
}

我们可以看到，这样就可以大大减少代码量，让我们编程变得更加方便。

函数模板语法

函数模板定义形式：template<类型形式参数表>

类型形式参数的形式为：typename T1 , typename T2 , …… , typename Tn 或 class T1 , class T2 , …… , class Tn

函数模板调用：

myswap(x, y); //自动数据类型 推导的方式 
	
myswap<float>(a, b); //显示类型调用

函数模板做函数参数

函数模板是可以作为函数参数的，我们可以写一段简单的排序代码来验证。

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T, typename T2>
void sortArray(T *a, T2 num)
{
	T tmp ;
	int i, j ;
	for (i=0; i<num; i++)
	{
		for (j=i+1; j<num; j++)
		{
			if (a[i] < a[j])
			{
				tmp = a[i];
				a[i] = a[j];
				a[j] = tmp;
			}
		}
	}
}

template<class T>
void pirntArray(T *a, int num)
{
	int i = 0;
	for (i=0; i<num; i++)
	{
		cout<<a[i]<<" ";
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	int num = 0;
	char a[] = "ddadeeettttt";
	num = strlen(a);

	cout << "排序之前" << endl;
	pirntArray<char>(a, num);

	sortArray<char, int>(a, num); //显示类型调用 模板函数 <>
	cout << "排序之后" << endl;
	pirntArray<char>(a, num);
	cout<<"hello..."<< endl;
	return 0;
}

最后输出结果：

函数模板遇上函数重载

函数模板和普通函数的区别：函数模板是不允许自动类型转换的，而普通函数允许自动类型转换

当函数模板和普通函数在一起时，调用规则如下：

函数模板可以像普通函数一样被重载
c++编译器优先考虑普通函数
如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
可以通过空模板实参列表的语法，限定编译器只通过模板匹配

下面我将通过代码来演示这个过程：

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
void myswap(T &a, T &b)
{
	T t;
	t = a;
	a = b;
	b = t;
	cout<<"myswap 模板函数do"<<endl;
}

void myswap(char &a, int &b)
{
	int t;
	t = a;
	a = b;
	b = t;
	cout<<"myswap 普通函数do"<<endl;
}

int main()
{
	char cData = 'a';
	int  iData = 2;

	myswap<int>(cData, iData);  //结论 函数模板不提供隐式的数据类型转换  必须是严格的匹配

	//myswap(cData, iData); 
	//myswap(iData, cData);
	
	cout<<"hello..."<<endl;
	return 0;
}

当我们运行如上代码时，编译器会报错

由此，我们就能得出结论：函数模板不提供隐式的类型转换，必须是严格的匹配。

接下来我们继续看另一段代码：

#include <iostream>
using namespace std;

int Max(int a, int b)
{
	cout<<"int Max(int a, int b)"<<endl;
	return a > b ? a : b;
}

template<typename T>
T Max(T a, T b)
{
	cout<<"T Max(T a, T b)"<<endl;
	return a > b ? a : b;
}

template<typename T>
T Max(T a, T b, T c)
{
	cout<<"T Max(T a, T b, T c)"<<endl;
	return Max(Max(a, b), c);
}


int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	cout<<Max(a, b)<<endl; //当函数模板和普通函数都符合调用时,优先选择普通函数
	
	cout<<Max<>(a, b)<<endl; //若显示使用函数模板,则使用<> 类型列表

	cout<<Max(3.0, 4.0)<<endl; //如果 函数模板产生更好的匹配 使用函数模板

	cout<<Max(5.0, 6.0, 7.0)<<endl; //重载

	cout<<Max('a', 100)<<endl;  //调用普通函数 可以隐式类型转换 
	return 0;
}

运行结果如下：

c++编译器模板机制实现

通过上面的学习，我们会产生一个问题：为什么函数模板可以和函数重载可以放在一块。c++编译器是如何提供函数模板机制的？

我们可以通过观察反汇编来解决这个问题，由于汇编代码过长，所以这里就不贴了，大家有兴趣可以自己试试。

通过观察反汇编代码，我们可以得出这样的结论：编译器并不是把函数模板处理成能够处理任意类的函数；编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数；编译器会对函数模板进行两次编译：在声明的地方对模板代码本身进行编译，在调用的地方对参数替换后的代码进行编译。

C++函数模板及实现原理

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