[C++知识库] C++初阶：初识模板和泛型编程

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[C++知识库]C++初阶：初识模板和泛型编程

初识模板

1. 模板初阶

1.1 泛型编程

void Swap(int& left, int& right) { // 交换两个整型变量
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
void Swap(double& left, double& right) { // 交换两个浮点型变量
	double tmp = left;
	//...
}
void Swap(char*& left, char*& right) { // 交换两个指针变量
	char* tmp = left;
	//...
}

如上述代码所示，代码模块的功能非常相似，只是处理的数据类型不同，为每种类型，都写出对应的代码，这样代码复用率太低，且可维护性低。

可以在函数中传入通用的数据类型，从而合并代码，泛型的出现就是专门解决这个问题的。泛型编程的定义就是：编写与类型无关的代码，是一种代码复用的手段。

屏蔽掉数据和操作数据的细节，让算法更为通用，让编程者更多地关注算法的结构，而不是在算法中处理不同的数据类型。编程语言本质上帮助程序员屏蔽底层机器代码的实现，而让我们可以更为关注业务逻辑代码。

泛型编程在 C++ 中，就体现在模板上。可以用模板技术来抽象类型，这样可以写出类型无关的代码。模板是泛型编程的基础，模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。模板分为函数模板和类模板。

1.2 函数模板

函数模板的定义格式

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，类型在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定函数版本。

//1.
template <class T1, class T2, ..., class Tn>
返回类型 函数名 (参数列表) {}
//2.
template <typename T1, typename T2, ..., typename Tn>
返回类型 函数名 (参数列表) {}

如上两种方式都可以，typename 和 class 都是用来定义模板关键字的。

为解决最开始的例子，交换两个变量的函数代码复用问题，可以使用如下的方式：

template <class T>
void Swap(T& left, T& right) {
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

函数模板的原理

但当不同数据类型调用该函数模板时，使用的是同一个函数吗？

函数模板本是个蓝图，是编译器产生特定具体类型函数的模具，它本身算是模板而不是函数。模板将重复性的操作交给编译器去执行，产生了多个适用于不同类型的函数。

参数类型不同，函数栈帧必然不同，那必然不会是同一个函数。vs2019 甚至多了这样的窗口：

函数地址不同，可见调用的不是同一个函数。在代码编译阶段，对于模板函数，编译器根据传入的实参类型也推演生成对应类型的函数以供调用。

函数模板的实例化

不同类型的参数使用该函数模板的过程，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为两种：隐式实例化和显式实例化。

隐式实例化：编译器根据实参自动推演参数的实际类型的模板实例化过程。
显式实例化：函数名后<>中指定模板参数的类型的实例化过程。

template <class T>
T Add(const T& rx, const T& ry) {
	return rx + ry;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	double c = 3.33, d = 4.44;
    //1. 隐式实例化
	Add(a, b);
	Add(c, d);
    //2. 显式实例化
	Add<int>(a, d);
	Add<double>(a, d);	
    
    Add(a, d); // Err:类型不一致
	Add((double)a, d); // 提前强转参数类型
    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。

函数模板的匹配原则

int Add(const int& rx, const int& ry) // 适用于int类型
{
	return rx + ry;
}
template <class T> 
T Add(const T& rx, const T& ry) // 通用类型模板
{
	return rx + ry;
}

当存在和函数模板同名同参数列表的函数时，编译器会优先调用普通函数而非模板。

存在普通函数说明开发者更想使用函数而非模板，调用函数也可以省去模板实例化的环节。

函数模板不允许自动类型转换，但普通函数传参时允许发生隐式类型转换。

1.3 类模板

使用typedef类型重命名不能够支持所有类型，且不能用同一个类创建不同类型成员的对象。只是将一个固定的类型重命名，并不属于泛型编程。

类模板的定义格式

定义格式和函数模板类似：

template <class T1, class T2,..., class Tn>
class 类模板名 {
	//...  
};

template <class T>
class Stack {
public:
	Stack(int capacity = 4) 
		:_top(0), _capacity(capacity)
	{
		_data = new T[capacity];
	}
	~Stack() {
		delete[] _data;
		_data = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}
    void Push(T x) {
		//....	
	}
private:
	T* _data;
	int _top;
	int _capacity;
};

类模板的实例化

类模板和函数模板的实例化有所不同，类模板实例化必须要在模板名后跟<>并指明类型。类模板是模板而不是类，实例化后生成的类才是真正的类。

//Stack是类模板名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1;
Stack<double> st2;

成员函数声明定义分离，函数体定义在类外时，不仅要声明函数所属类域，还要声明模板类型。

template <class T> // 声明模板类型
void Stack<T>::Push(T x) { // 声明所属类域
	_data[top++] = x;
	//...
}

2. STL 简介

STL（standard template libaray）是 C++ 标准库的重要组成部分：标准模板库。STL 不仅是一个可复用的组件库，而且
是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。也成为 HP 版本，是所有STL实现版本的始祖。
P. J. 版本
由 P. J. Plauger 开发，继承自 HP 版本，被 Windows Visual C++ 采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。
RW版本
由 Rouge Wage 公司开发，继承自 HP 版本，被 C++ Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
SGI版本
由 Silicon Graphics Computer Systems，Inc 公司开发，继承自 HP 版本。被 GCC(Linux) 采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。学习 STL 要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。