【C++干货铺】初识模板

news2024/11/24 18:00:31

=========================================================================

个人主页点击直达：小白不是程序媛

C++系列专栏：C++干货铺

代码仓库：Gitee

=========================================================================

泛型编程

函数模板

函数模板格式

函数模板原理

函数模板实例化

模板参数的匹配原则

类模板

定义格式

类模板的实例化

泛型编程

什么是泛型？

在计算机程序设计领域，为了避免因数据类型的不同，而被迫重复编写大量相同业务逻辑的代码，人们发展的泛型及泛型编程技术。

就好比今天老师布置了一篇800的作文，文体不限，我们可以写散文、诗歌、叙事文等等各种文章类型，但是最终只要800的作文。

泛型编程概念：

泛型编程允许程序员在强类型程序设计语言中编写代码时使用一些以后才指定的类型，在实例化时作为参数指明这些类型。

我们知道C++语言支持函数重载，一个函数名可以写好多种参数类型不同的交换函数。像下面这样：

void swap( int& x,  int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
void swap(double& x, double& y)
{
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
void swap(char& x, char& y)
{
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	swap(a, b);
	double x = 1.1, y = 2.2;
	swap(x, y);
	char s = a, z = b;
	swap(s, z);
	return 0;
}

上面的代码只是简单的三个相同类型的交换，使用函数重载虽然可以实现但是有几点不好的地方：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，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，一个出错可能所有的重载均出错

如果我们想实现两两不同类型的相加呢？如何实现一个通用的加法函数呢？那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

ps：图片来源网络

向上面的各种各样的汉堡一样，上下都是两片面包只是中间加入的东西不一样，夹鸡腿就叫鸡腿堡、夹猪排就叫猪排堡、夹牛肉就叫牛肉堡等等。

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，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），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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。

函数模板

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。

函数模板格式

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

}

template是一个关键字

我们按照上面的格式编写一个交换函数的模板

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

注意：

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

函数模板原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式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。

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。

函数模板实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，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

template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
int main()
{
	int i = 1, j = 0;
	Swap(i,j);
	double x = 1.1, y = 2.2;
	Swap(x, y);
	char s = 'a', z = 'b';
	Swap(s, z);
	return 0;
}

如果我们要进行两两不同类型的两个数相加呢？

用户自己来强制转化

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a = 1;
	double b = 1.1;
	Add(a, (int)b);//自己手动进行类型转化
	return 0;
}

显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型（解决参数类型不匹配类型）

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a = 1;
	double b = 1.1;
	Add(a, (int)b);//手动强制类型转化
	Add<double>(a, b);//显示实例化
	return 0;
}

模板参数的匹配原则

1. 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

// 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
	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

2. 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。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板

// 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

类模板

定义格式

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

// 动态顺序表
// 注意：Vector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 Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
	~Vector();
	void PushBack(const T& data)；
		void PopBack()；
		// ...
		size_t Size() { return _size; }
	T& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos < _size);
		return _pData[pos];
	}
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
// 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>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

上面的类模板可以根据不同的数据类型，生成不同的类（顺序表）