【C++】模板初阶

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发布于 2024-12-13 20:07:44

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一、模板初阶

1. 泛型编程

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;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
	char temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
......

以实现交换函数为例，在C语言中即使是近乎完全一致的的功能，通过代码实现，只要参数不同，我们就需要写对应类型的不同函数名的函数，在之前的学习中，我们已经学习了函数重载，我们不再需要起不同的函数名，比起C语言方便不少，但是不容忽视的是函数重载仍然有不好的地方。

1. 重载的函数仅仅是对应位置参数类型不同，绝大部分部分代码完全一致，即为了适应一两处类型的变化，我们就需要将整个函数近乎完全一致的重写，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数 2. 代码的可维护性比较低，函数重载的错误可能在运行时才被发现，而且错误信息可能不太容易理解，需要更多的调试工作才能确定问题所在，一个出错可能所有的重载均出错。

思考了函数重载仍然存在的问题，我们发现上述swap代码仅仅是某些地方的类型发生变化，实现逻辑不变，那么为了避免大量重复，我们是否能告诉编译器一个模子，等到具体使用时，再让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？即我们如何实现一个通用的交换函数呢？

在C++中，就存在这样一个模具即模板，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(即生成具体类型的代码）

模板的出现意义非常重大，模板是泛型编程的基础。模板的出现使得C++正式被业界作为不同于C语言的一门新语言所承认。模板可以分为函数模板与类模板。（有的地方也叫模板函数和模板类）

而泛型编程：是代码复用的一种手段，是指编写与类型无关的通用代码。

这样一份通用代码就可以应用于多种不同的数据类型。避免了为每种特定类型重复编写相似的代码，大大减少了开发工作量。 同时由于泛型编程在编译期进行类型检查，它可以确保代码在处理不同类型时的正确性。如果代码尝试对不兼容的类型进行操作，编译器会在编译期报错，而不是在运行时产生错误，此外泛型编程使得代码更加灵活和可扩展。可以轻松地添加新的类型而无需修改现有的通用代码。只需要确保新类型满足通用代码的要求即可。

2. 函数模板

2.1 函数模板概念

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

2.1 函数模板格式

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

//模版类型
template<class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

typename是用来定义模板参数关键字，意为类型名称，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

在早期我们是使用class来定义类型名称，后来才新增了typename关键字，typename与class在使用上并无区别。我们可以混着使用，当然实践中为了程序的可读性与整体观感，不推荐这么做。

template<class T1, typename T2>
void func(const T1& x, const T2& y)
{
	//………………
}

<>叫做模板参数列表，<>类定义了模板参数，可以定义一个也可以定义多个，不同模板参数之间用逗号隔开，

注：模板参数只是用来一种表示，表明哪些地方之后编译器会替换为具体的类型，因此起什么名称都可以，只不过我们一般使用T(英文名type，即类型的意思)来命名。

template<class A, class B>
void func(const A& x, const B& y)
{
	//………………
}

2.3 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用来产生特定具体类型函数的模具。所以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，使用该函数时，我们明确使用该函数的参数类型，编译器再根据模板和确定的参数类型生成一份具体对应类型的函数，这样我们只写一份函数模板就可以用于不同的类型，重复的代码交由编译器实现，达到一种半自动化效果。

对于函数模板的使用，在编译器编译阶段，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：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此。

2.4 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板，生成具体的函数，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。
1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);
    Add(a1, d2);//类型不同，程序报错。

	Add(a1, (int)d2);//用户自己来强制转化
	return 0;
}

隐式实例化是编译器根据实参推演模板参数的实际类型，因此，在上诉代码中我们只定义了一个模板参数T，我们传相同类型如int,double都没问题，但是当我们一个传int一个传double时，该调用语句不能通过编译，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a1将T推演为int，通过实参d1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。针对这种情况我们可以自己主动的将不同类型强制转换成相同；也可以进行显示实例化，这样编译器就知道T的需要推演的实际类型，编译器会主动将不同类型的参数进行类型转换。(显示实例化下文介绍。)

注意：处于安全、可读性、编译效率、歧义等考量，在模板中，编译器一般不会主动进行类型转换操作，显示实例化后，才会将不同类型进行转换。

template<class T1, class T2>
T1 Add(const T1& left, const T2& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
	Add(a1, a2);//定义多种模板类型之后,参数既可以是同一类型的也可以是不同类型的
	Add(d1, d2);

	return 0;
}

当然我们如过定义多个模板参数，那么在使用函数模板时参入相同或者不同的参数都是可以的

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

 //用函数模版生成对应的函数 -> 模版的实例化
template<class t>
t Add(const t& left, const t& right)
{
	return left + right;
}

template<class T>
T* func1(int n)
{
	return new T[n];
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;

	// 推导实例化
	cout << Add(a1, (int)d1) << endl;
	cout << Add((double)a1, d1) << endl;

	// 显示实例化
	cout << Add<int>(a1, d1) << endl;
	cout << Add<double>(a1, d1) << endl;

	double* p1 = func1<double>(10);

	return 0;
}

显式实例化是在函数名后加的<>中指定模板参数的实际类型，编译器直接根据<>中的类型确定参数类型，不在推到，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。

除此之外显示实例化还有一个场景是如func1函数，形参不是模板参数，但是函数内部跟返回值又用到模板参数，编译器无法根据参数推到，那我们就需要直接告诉编译器模板参数推导的类型

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,那么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(实例化就是在生成一个具体的函数，在已经有的情况下，这是一种浪费)。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板（如果使用已用的，类型转换会造成数据损失，并且有不必要的消耗）

// 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
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
}

// 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
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的
	Add函数
}

3. 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

3. 类模板

3.1 类模板的定义格式

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

#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double
	return 0;
}

3.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，对于类模板，编译器需要在编译阶段就确定类的具体结构和成员函数的实现。这就要求明确指定模板参数的类型（具体原因较为复杂，本文深入讲解），类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		,_size(0)
		,_capacity(n)
	{}

	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}

	void Push(const T& x);

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};


int main()
{
	// 类模板都是显示实例化
    // Stack是类名，Stack<int>才是类型
    Stack<int> st1; // int
    Stack<double> st2; // double

	Stack<int> st1; // int
	st1.Push(1);
	st1.Push(2);
	st1.Push(3);

	Stack<double> st2; // double
	st2.Push(1.1);
	st2.Push(1.1);
	st2.Push(1.1);

	Stack<double>* pst = new Stack<double>;
	//...
	delete pst;

	return 0;
}

类模板的另一个函数的好处是，在C语言中，我们实现Stack时，改变数据结构存储的数据类是通过typedef控制的，我们无法同时typedef 不同内置类型为自定义类型。Stack一个项目中无法存储不同类型的数据。

但是通过类模板，我们可以实例化Stack<int>存储int类型的数据，Stack<double>存储double类型的数据，非常方便。

template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		,_size(0)
		,_capacity(n)
	{}

	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}

	void Push(const T& x);

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	if (_size == _capacity)
	{
		T* tmp = new T[_capacity * 2];
		memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
		delete[] _array;

		_array = tmp;
		_capacity *= 2;
	}

	_array[_size++] = x;
}

注：每个模板参数只能给当前的函数或类模板使用，如果类模板中成员函数声明和定义分离，我们需要重新定义模板参数，模板参数只是表示，方便后面编译器替换为具体的类型，名称不重要。

template<class X>//名称不重要，替换为X也行
void Stack<X>::Push(const X& x)
{
	if (_size == _capacity)
	{
		X* tmp = new X[_capacity * 2];
		memcpy(tmp, _array, sizeof(X) * _size);
		delete[] _array;

		_array = tmp;
		_capacity *= 2;
	}

	_array[_size++] = x;
}

此外模板无法声明和定义分离，这个笔者后面会在模板进阶详细介绍，本文不再涉及。

3.3按需实例化问题

类模板实例化时是按照需要实例化的，使用哪些成员函数就实例化哪些，没有使用的成员函数是不会实例化的。

即当我们用类模板实例化出一个类时，类会对成员函数进行扫描，确定有哪些成员函数，但是编译器不会对类的成员函数的实现细节进行细致检查，在我们写代码时程序不会显示错误，只有当我们调用对应的函数，编译器才会对相关函数细节进行细致检查，程序才会显示错误信息。

注：按需实例化并不会影响编译器对基本语法的错误检查。

namespace zlr
{
	template<class T, class Container = vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}

		const T& top() const
		{
			return _con.func();//vector中没有实现这个函数
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};

}

int main()
{
	zlr::stack<int, vector<int>> st;

	// 类模板实例化时，按需实例化，使用哪些成员函数就实例化哪些，不会全实例化
	st.push(1);//push会进行实例化
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	cout << st.top() << endl;//调用了，检查top内部细节，程序报错
	st.pop();

	return 0;
}