[C++知识库] 【C++】模板（template）初阶

开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> C++知识库 -> 【C++】模板（template）初阶 -> 正文阅读

[C++知识库]【C++】模板（template）初阶

文章目录

- - 一、认识模板

一、认识模板

1.1 泛型编程

C语言不支持泛型编程，C++支持泛型编程。

比如：如何实现一个通用的交换函数呢？

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;
}

// ...

使用函数重载可以实现，但是有几个不好的地方：

重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数。
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

而且上述函数它们的逻辑相似，唯一不同的就是待交换元素的类型。

思考：能否告诉编译器一个模具，让编译器根据不同的类型利用该模具来生成对应的代码呢？

在C++中，这个模具就是模板（template），通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(生成具体类型的代码）。

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。

1.2 函数模板

1.2.1 概念

函数模板（function template）不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实参类型决定其功能。

1.2.2 函数模板的格式

template<typename T1, typename T2, ......, typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表)
{
	函数体
}

注意：

其中 template 和 typename 都是关键字
typename 是用来定义模板参数关键字，可以用 class 关键字代替，在这里 typename 和 class 没有区别

👉示例：通用类型的交换函数模板

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right) // T是一个类型，具体是什么类型呢？实例化了才知道
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

int main()
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	Swap(a1, a2); // 1

	char c1 = '1', c2 = '2';
	Swap(c1, c2); // 2

	return 0;
}

思考：1 和 2 调用的是上面的同一个函数模板吗？-- 不是

1.2.3 函数模板的原理

函数模板并不是一个实在的函数，而是一个对函数功能框架的描述，是编译器根据实参类型产生具体类型函数的模具。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，提高了编程效率。

比如：

编译阶段经历如下过程：

先进行模板推演，推演 T 的具体类型是什么

推演出 T 的具体类型后，再实例化生成具体的函数

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：当传入 int 类型实参来使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将 T 确定为 int 类型，然后产生一份专门处理 int 类型的代码，对于字符类型也是如此。

1.2.4 函数模板的实例化

用不同类型的实参使用函数模板时，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」

隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。
显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型。

template<class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	int a = 10;
	double d = 10.0;

    /*
	该语句不能通过编译，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d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。
	*/
	// cout << Add(a, d) << endl; // error: 模板参数T不明确

    /* 正确使用方式一：强制类型转换 */
	Add(a, (int)d);     // 用强制类型转换生成的临时变量作为实参传递
	Add((double)a, d);

    /* 正确使用方式二：显式实例化 */
    Add<int>(a, d);
    
	return 0;
}

👉显式实例化的使用场景：

// 有些函数模板的参数列表中没有用模板参数，在函数体中才有用
// 所以无法通过实参来推演 T 的类型，只能显式实例化
template<class T>
T func(int x)
{
	T a(x);
	return a;
}

int main()
{
	// func(1); // error

	func<int>(1);    // 指定模板参数的实际类型为int
	func<double>(1); // 指定模板参数的实际类型为double
	func<A>(1);      // 指定模板参数的实际类型为自定义类型A

	return 0;
}

1.2.5 模板参数的匹配原则

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。

模板匹配原则：有现成完全匹配的，直接调用；没有现成完全匹配的，调用模板实例化生成的。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

// 通用加法函数模板
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}

void main()
{
	Add(1, 2);      // 与非模板函数匹配，优先调用非模板函数，编译器不需要特化
	Add<int>(1, 2); // 不想用非模板函数，可以显式实例化函数模板，调用编译器特化的Add函数
    
    Add(1.1, 2.2);  // 没有现成匹配的，优先选择编译器特化的Add(double, double)函数
}

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。如果该模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板。

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。

👉示例：

int Add(const int& a, const int& b)
{
	return a + b;
}

void main()
{
	int a = 10;
	double d = 10.0;

	Add(a, d); // 类型不匹配，编译器进行隐式类型转换
}

1.3 类模板

1.3.1 概念

类模板是对一批仅仅成员数据类型不同的类的抽象，程序员只要为这一批类所组成的整个类家族创建一个类模板，给出一套程序代码，就可以用来生成多种具体的类（这些类可以看作是类模板的实例），从而大大提高编程的效率。

1.3.2 类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	// 类内成员定义
};

👉示例：

// 类模板
// 注意：Stack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 Stack
{
private:
	T* _a;
	size_t _top;
	size_t _capacity;

public:
	// ...
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new T[capacity])
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{}

	~Stack(); // 析构函数，在类中声明，类外定义
};

// 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>
Stack<T>::~Stack()
{
	if (_a)
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
	}
	_top = _capacity = 0;
}

int main()
{
	// 类模板的使用都是显式实例化
    // Stack是类名，Stack<int>才是类型
	Stack<int*> st1;
	Stack<int> st2;

	return 0;
}