【C++程序员的自我修炼】初识模板

云收天彩色

木叶落秋声

目录

函数模板

函数模板的实现

函数模板的实例化

模板参数的匹配原则

参数模板推不出来的情况

类模板

类模板的定义格式

类模板的实例化

契子 ✨

我们在学 C语言的时候应该都写过交换两个数的函数 swap 吧

当时我们只是写了 int 类型，那么如果是 char、double类型呢？是不是像这样：写多个 swap 函数

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;
 }

以上使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

<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

那能不能用一个模板，让编译器根据不同的类型利用该模板来生成代码呢？

就像以下的杯子一样，只要确定好具体的模型，就可以填充自己想要的颜色

答案是有的，接下来我将带大家了解模板的基本操作：

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

格式：
template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
注意：typename 是用来定义模板参数关键字，也可以使用 class
template<class T1, class T2,......,class Tn>

函数模板的实现

举个栗子~

#include<iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	cout << "a = " << a << " " << "b = " << b << endl;
	Swap(a, b);
	cout << "a = " << a << " " << "b = " << b << endl;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	cout << "c = " << c << " " << "d = " << d << endl;
	Swap(c, d);
	cout << "c = " << c << " " << "d = " << d << endl;
	return 0;
}

我们发现不管是 int 类型还是 double 类型都可以往里套，不仅如此指针类型也可以调用

	int a = 1, b = 2;
	int* pa = &a;
	int* pb = &b;

库里面的 swap ：

⭐我们发现库里面的 swap 函数的底层代码就是用模板！！！

就像我们古代的活字印刷术，名人的手稿诗集就是模板，通过模板我们可以印刷出各种类型

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 ，对于其他类型也是如此~

函数模板的实例化

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

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

先举个栗子~

#include<iostream>
using namespace std;

template<typename T>
T Add(const T& n, const T& m)
{
	return n + m;
}

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	Add(a, b);
	Add(c, d);
	return 0;
}

以上的代码很简单~我们传了同类型的两个参数 int类型的a和b、double类型的c和d

像这种能自动推演出 T 的类型的就是隐式实例化

那么我们能不能传不同类型的两个参数呢比如说：a和c

我们发现是不行的，原因如下：

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 类型，通过 实参c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

那有没有什么解决办法呢？

方法一：用户自己来强制转化✨

Add(a, (int)c);
Add((double)a, c)

因为 double类型 的 c 强转成 int类型 ，精度会丢~

方法二：显示实例化✨

Add<int>(a, c)
Add<double>(a, c)

显示实例化就是现将数据进行隐式类型转化成自己指定类型（不让编译器自动推演参数）

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

以上的：

<1> c 就是隐式类型转化成 double

<2>c 就是隐式转换成 int

方法三：利用 auto 自动推导 ✨

template<typename T1, typename T2>
auto Add(const T1& n, const T2& m)
{
	return n + m;
}

以上代码如果返回值是整数就会自动推导成 int ，是小数则自动推导成 double

这样精度就不会丢失~

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

<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

#include<iostream>
using namespace std;

int Add(int left, int right)
{
	cout << "Add(int left, int right)" << endl;
	return left + right;
}

template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	cout << "T Add(T left, T right)" << endl;
	return left + right;
}

int main()
{
	Add(1, 2); 
	Add<int>(1, 2); 
	return 0;
}

简单来讲就是模板和用模板创造的函数 Add 可以同时存在，如果数据类型刚好和 Add 匹配，那么就可以直接用（不调用模板），如果不匹配可以隐式类型转换就可以将就用没有就用模板，当然如果我们想用模板的话，我们可以显示实例化

🌤️举个栗子~你想吃蛋糕了，如果有你喜欢吃的蛋糕肯定是有现成的吃现成的，如果没有可以将就一下吃别的，若是一个蛋糕都没有，就要求店员有模板做

参数模板推不出来的情况

举个栗子~我们来看看以下代码，Func(1)是否推演T成功

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T* Func(int a)
{
	T* p = (T*)operator new(sizeof(T));
	new(p)T(a);
	return p;
}

int main()
{
	int* ret = Func(1);
	return 0;
}

因为我们之前 T 的推演是编译器通过对实参类型的推演的，而这里我们的参数并不是 T

那怎么办呢？

这里我们的显示实例化起到很大作用

int* ret = Func<int>(1);

编译器推导不出来，我们就自己指定类型

类模板

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
};

举个栗子~我们之前写过的栈

#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<cstdlib>
using std::cout;
using StackDataUsing = int;
class Stack
{
public:
	void Init(size_t newcapacity = 4)
	{
		StackDataUsing* newNode = new StackDataUsing[newcapacity];
		if (newNode == nullptr)
		{
			perror("new");
			exit(-1);
		}
		data = newNode;
		capacity = newcapacity;
		top = 0;
	}
	void Destory()
	{
		delete data;
		data = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}
	void push(StackDataUsing x)
	{
		if (capacity == top)
		{
			StackDataUsing* newNode = new StackDataUsing[2 * capacity];
			if (newNode == NULL)
			{
				perror("new");
				exit(-1);
			}
			data = newNode;
			capacity *= 2;
		}
		data[top++] = x;
	}
	StackDataUsing Top()
	{
		return data[top - 1];
	}
	void Pop()
	{
		assert(top > 0);
		top--;
	}
	bool Empty()
	{
		return top == 0;
	}

private:
	StackDataUsing* data;
	size_t capacity;
	size_t top;
};

int main()
{
	Stack st1;  //int
	Stack st2; //double
	return 0;
}

我们之前想创建两个 double 、int 类型的栈还需要写两个类来进行，但是现在不必了

因为我们升级了~

#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<cstdlib>
using std::cout;
template<class T>
class Stack
{
public:
	void Init(size_t newcapacity = 4)
	{
		T* newNode = new T[newcapacity];
		if (newNode == nullptr)
		{
			perror("new");
			exit(-1);
		}
		data = newNode;
		capacity = newcapacity;
		top = 0;
	}
	void Destory()
	{
		delete data;
		data = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}
	void push(const T& x)
	{
		if (capacity == top)
		{
			T* newNode = new T[2 * capacity];
			if (newNode == NULL)
			{
				perror("new");
				exit(-1);
			}
			data = newNode;
			capacity *= 2;
		}
		data[top++] = x;
	}
	T Top()
	{
		return data[top - 1];
	}
	void Pop()
	{
		assert(top > 0);
		top--;
	}
	bool Empty()
	{
		return top == 0;
	}

private:
	T* data;
	size_t capacity;
	size_t top;
};

我们只要将原来 StackDataUsing 的位置置为 T 即可，T 就是对应的数据类型

类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同， 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

Stack<int> st1;    //int
Stack<double> st2; //double

我们的模板是写给编译器的，编译器通过实例化帮我们创建对应的类

注意： Stack<int> 和 Stack<double>是两个不同的类

总结：

我们在函数模板通常是通过参数进行 T 类型的推导，而类模板这是直接显示实例化

还有一个小点需要注意~如果我们要做声明与定义怎么办？

template<class T>
class Stack
{
public:
	void push(const T& x);
	// ... 
private:
	T* data;
	size_t capacity;
	size_t top;
};

template<class T>
void Stack<T>::push(const T& x)
{
	if (capacity == top)
	{
		T* newNode = new T[2 * capacity];
		if (newNode == NULL)
		{
			perror("new");
			exit(-1);
		}
		data = newNode;
		capacity *= 2;
	}
	data[top++] = x;
}

声明与定义分离必须模板化✨