[C++知识库]从C到C++___函数模板

函数模板

1.快速上手

函数模板是通用的函数描述，也就是说，它们使用泛型来定义函数。

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;

    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);

}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
c:
name:Bob
weight:250
group:2
d:
name:Alice
weight:200
group:1

模板函数也可以有原型:
template <typename T>
void Swap(T &a,T &b);
这里的typename也可以换成class。
不过模板原型实际上不常见。

模板函数定义：

template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}

模板函数隐式实例化：
Swap(a,b);
模板函数会根据实参的类型，给出函数定义。
还有显式实例化：
Swap<int>(a,b);
显式的定义typename。
对于这两种实例化，我推荐使用显式实例化，因为隐式实例化容易出错。对于这块知识的详细解读，需要有对编译器有充分的理解，在文章后面会给出。

一般我们不会用到模板函数的原型，因为我们一般把模板函数的定义放在头文件里面，再需要使用的时候，包含头文件就行了。
不推荐的做法：模板原型放在头文件，模板定义放在cpp文件里。

2.重载的模板

如果对函数的重载不了解，可以翻看我之前的文章：
从C到C++___内联函数、引用变量、函数重载

模板函数也可以重载,语法和常规函数的重载差不多;被重载的模板函数必须要特征标不同。

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型

template <typename T>
void Swap(T *a,T *b,int n);//模板原型
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;

    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);

    char e[10]="hello";
    char f[10]="bye!!";
    Swap(e,f,10);
    cout<<"e:"<<e<<endl;
    cout<<"f:"<<f<<endl;
}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
template <typename T>
void Swap(T *a,T *b,int n){
    T temp;
    for(int i=0;i<n;i++){
        temp=a[i];
        a[i]=b[i];
        b[i]=temp;
    }
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
c:
name:Bob
weight:250
group:2
d:
name:Alice
weight:200
group:1
e:bye!!
f:hello

3.模板的局限性

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
const T& foo(const T &a,const T &b){
    if(a>b)return a;
    else return b;
}
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    apple max=foo(c,d);
    show(max);
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

上面这段代码是出错的，因为T如果是结构体，我们无法对其做>操作。当然解决这个问题的方法也是有的—显式具体化函数。

4.显式具体化函数–一个畸形产物

显式具体化函数的诞生是因为模板对于某些类型的数据，定义得的函数,例如上例中得foo(c,d)出错，我们就单独对这个类型，写一个特殊的函数。

所以，就是一句话，原先模板不适用于某种类型的数据，我们就单独给这种类型的数据，单独来一个函数定义。

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b);//显式具体化函数原型，这里<apple>可以省略
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;

    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);


}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b){
    cout<<"explicit specialization for apple!"<<endl;
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
explicit specialization for apple!
c:
name:Alice
weight:200
group:2
d:
name:Bob
weight:250
group:1

可以看出来，我们单独为 结构体apple 搞了个显式具体化函数，目的就是只交换group成员变量。

显式具体化函数和常规模板很类似。

显式具体化函数的原型：
template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b);
这里<apple>可以省略.

显式具体化函数的定义:

template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b){
    cout<<"explicit specialization for apple!"<<endl;
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}

实际上这段代码也意味着，显式具体化的优先级高于常规模板。

5.实例化和具体化

• 切记！函数模板本身不会生成函数定义，它只是一个生成函数定义的方案！

编译器使用模板为特定类型生成函数定义时，得到的是模板实例。生成函数定义就是实例化。
实例化有隐式和显式之分。
模板函数隐式实例化：
Swap(a,b);
模板函数会根据实参的类型，生成函数定义。
还有显式实例化：
Swap<int>(a,b);
直接根据<>中的类型生成函数定义。

下面这段代码显示了 显式实例化的优越性：

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T>
T Add(const T &a,const T &b){
    return (a+b);
}
int main(){
    int a=5;
    double b=6.1;
    cout<<Add<double>(a,b)<<endl;
}

如果把Add<double>(a,b)换成Add(a,b)会出错，因为a是int类型的，而b是double类型的，这样就无法隐式实例化了。
Add<double>(a,b)会显式实例化一个函数定义，然后int类型的a,传参给double的引用形参的时候，会产生临时变量，从而完成函数调用。

显式实例化的还有一种形式是：
template double Add<double>(const double &,const double &);
不过这个形式已经被淘汰了。

截至2022年7月，现在最新的C++标准是C++20

• 实例化和显式具体化统称为具体化

上一节中我们提到了显式具体化，我们可以发现实例化和显式具体化的相同之处在于，他们都是使用具体类型的函数定义，而不是通用描述。
显式具体化函数是否是模板函数？
我的回答是：显式具体化函数是一个不伦不类的模板函数，你也可以把他看成是一个畸形产物，他是非模板函数和模板函数的杂种。

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template<class T>
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
template<>
void Swap(apple &a,apple &b);//显示具体化原型
void show(apple x);
int main(){
    short a=1;
    short b=2;
    Swap(a,b);//隐式实例化
    cout<<"a:"<<a<<endl<<"b:"<<b<<endl;

    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);//显式具体化
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);

    double e=1;
    double f=2.01;
    Swap<double>(e,f);//显式实例化
    cout<<"e:"<<e<<endl<<"f:"<<f<<endl;

}
template<class T>
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}

template<>
void Swap(apple &a,apple &b){
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2       
b:1       
c:        
name:Alice
weight:200
group:2   
d:        
name:Bob  
weight:250
group:1
e:2.01
f:1 

这里问个问题，如果把上面代码中的e变成 int类型会出现问题吗？
会报错，因为实参和函数中引用形参的类型不一样，且此时不是const引用形参，也不会有临时变量产生。如果你不清楚，且看引用变量的语法。
从C到C++___内联函数、引用变量、函数重载

6.重载解析

6.1 概览

对于常规函数，函数重载，函数模板，函数模板重载，编译器需要有一个良好的策略，从一大堆同名函数中选择一个最佳函数定义。这一过程是非常复杂的过程–重载解析。这就是我们这一节要阐述的内容。

重载解析过程：

• step1:创建候选函数列表。其中包含与被调用函数名称相同的函数和模板函数。
• step2:从候选函数列表中筛选可行函数。其中包括参数正确或者隐式转换后参数正确的函数。
• step3:确定是否存在最佳的可行函数。如果有则使用他，否则函数调用出错。

其中最复杂的就是step3，这些可行函数也有优先级之分，优先级 从高到低是：

1. 完全匹配
2. 提升转化 (如，char short 转化成int，float 转化成 double)
3. 标准转化 (如，int 转化成 char ，long转化成double)
4. 用户定义的转化 (如类声明中定义的转换)

而完全匹配中也有细小的优先级之分。
总而言之，在step3中如果优先级最高的可行函数是唯一的那么就调用他，否则会出现诸如ambiguous的错误。

这一节的目的就是完全理解编译器如何让处理如下代码：

#include<iostream>
using namespace std;
void may(int);//#1
float may(float,float=3);//#2存在默认参数
void may(char &);//#3
char* may(const char*);//#4
char may(const char &);//#5
template<class T> void may(const T &);//#6
template<class T> void may(T *);//#7

int main(){
    may('B');
}
void may(int a){
    cout<<1<<endl;
}
float may(float a,float b){
    cout<<2<<endl;
    return a;
}
void may(char &a){
    cout<<3<<endl;
}
char* may(const char* a){
    cout<<4<<endl;
    return NULL;
}
char may(const char &a){
    cout<<5<<endl;
    return a;
}
template<class T> 
void may(const T & a){
    cout<<6<<endl;
}
template<class T> 
void may(T *){
    cout<<7<<endl;
} 

上述代码没有一点问题，甚至连warning都没有，你可以自己试一下结果是什么。

'B'是const char类型的
#1~#7都是候选函数，因为函数名字相同。
其中#1、#2、#3、#5、#6是可行函数，因为const char 类型无法隐式转换成指针类型，所以#4、#7不行，而其他函数通过隐式转换后参数是正确的。
#1是提升转换，#2是标准转换，#3、#5、#6是完全匹配，完全匹配中非模板函数比模板函数优先级高，所以#3、#5优先级高于#6，而由于const参数优先和const引用参数匹配，所以#5的优先级更高。
则#5>#3>#6>#1>#2,所以调用#5。

6.2 完全匹配中的三六九等

• 首先什么是完全匹配？

完全匹配函数包括：

1. 不需要进行隐式类型转化的函数（即参数正确的函数）显然是完全匹配函数。
2. 需要进行隐式类型转换，但是这些转换是无关紧要转换。

完全匹配允许的无关紧要转换:

• 完全匹配中的优先级法则

1. 常规函数优先级高于模板。
2. 对于形参是指针或引用类型的函数，const修饰的实参优先匹配const修饰的形参，非const修饰的实参优先匹配非const修饰的形参。
3. 较具体的模板优先级高于较简略的模板。(例如，显式具体化函数优先级高于常规模板)

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void may(const apple & a){
    cout<<1<<endl;
}
void may(apple &a){
    cout<<2<<endl;
}

int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(a);
}

结果是2

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void may(const apple & a){
    cout<<1<<endl;
}
void may(apple &a){
    cout<<2<<endl;
}
void may(apple a){
    cout<<3<<endl;
}
int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(a);
}

这个编译器会出错，因为这三个函数都是完全匹配，但是#2 和 #3的优先级无法区别，记得吗，完全匹配中的优先级法则的第2条法则，只适用于形参是引用或者指针。

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template<typename T>
void may(T a){
    cout<<1<<endl;
}
template<typename T>
void may(T *a){
    cout<<2<<endl;
}
int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(&a);
}

终端输出是2,&a的类型是 apple*，而#2明确指出形参是个指针，所以#2更具体。

关于如何找出最具体的模板的规则被称为部分排序规则。

• 部分排序规则:在实例化过程中，函数优先和转换少的模板匹配。也可以这么说，实参和形参越相似，模板越优先。

举个栗子：

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>
void may(T a[]){
    cout<<1<<endl;

}
template<typename T>
void may(T *a[]){
    cout<<2<<endl;
}
template<typename T>
void may(const T *a[]){
    cout<<3<<endl;
}
int main(){
    double a[5]={1,2,3,4,5};
    const double* b[5]={&a[0],&a[1],&a[2],&a[3],&a[4]};
    may(a);
    may(b);
}

may(a)会和#1匹配，因为a的类型是double数组，double数组无法转换成指针数组，所以#2,#3不是可行函数。而对于may(b)，他会和#3匹配。b的类型是cont指针数组，首先#1和#2和#3都是可行函数，而且都是完全匹配函数，因为#1 会实例化成may<const double*>(b)，#2 他实例化成may<const double>(b)，#3会实例化为may<double>(b)所以我们看看那个模板更具体？#3模板直接指出了 形参是一个const指针数组，所以他最具体，#3优先级最高；其次是#2因为它的形参指出了是指针数组；#1是最不具体的，#3>#2>#1.

6.3总结

Swap<>(a,b)这种代码，类似于显式实例化，但是<>中没有指出typename，所以这段代码是要求优先选择模板函数。

对于多参数的函数，优先级会非常复杂，就不谈了。

7.模板的发展

• 关键字decltype 和 auto

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T1,typename T2>
auto Add(T1 a, T2 b){
    decltype(a+b) c;
    c=a+b;
    return c;
}
int main(){
    int a=2;
    double b=2.123;
    cout<<Add(a,b);
}

关键字decltype 和 auto ，在模板中无法确定数据类型时，发挥了巨大的作用。