【C++】—— 模版初阶
- 1 泛型编程
- 2 函数模板
- 2.1 函数模板基础用法
- 2.2 模板的实例化
- 2.2.1 隐式实例化(推导实例化)
- 2.2.2 显式实例化
- 2.3、函数模板的原理
- 2.4、模板参数的匹配原则
- 3 类模板
- 3.1 类模板的定义格式
- 3.2 实现栈类模板
- 3.3 类模板为何优于 typedef
- 3.4 类模板的实例化
- 3.5 类模板的声明与定义分离
1 泛型编程
类型的交换函数该怎么做?我们只能每一种类型都写一个,同时每个函数名都不能相同,无疑是非常繁琐的。C++中引入了函数重载,支持函数可以同名。
像这样:
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;
}
//......
C++ 有了函数重载比 C语言 方便多了,但还是有不足。如果还要进行其他类型,如 c h a r char char 类型的交换,那岂不是还要写一个函数?那多麻烦呀
函数重载的缺点:
- 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
- 代码的可维护性比较低,一个出错可能所有的重载均出错
那是否能告诉编译器一个模板,让编译器照着这个模板自己生成类似的函数呢?
就像活字印刷一样,一印一个准
为此,C++ 引入了模板的概念,并依次延伸出了泛型编程的思想
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
。
模板分为两类:函数模板与类模板
2 函数模板
2.1 函数模板基础用法
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:
- t e m p l a t e template template < c l a s s class class 类型1, c l a s s class class 类型2,…, c l a s s class class 类型n>
- 返回值类型 函数名(参数列表) { }
注:
c
l
a
s
s
class
class 是用来定义模板参数的关键字
,也可以用
t
y
p
e
n
a
m
e
typename
typename (不能用
s
t
r
u
c
t
struct
struct 代替
c
l
a
s
s
class
class)。
c
l
a
s
s
class
class 和
t
y
p
e
n
a
m
e
typename
typename 也可以混着用(正常人都不这么干)
只看概念,往往比较抽象,我们来实践实现一个函数模板
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}
T(
t
y
p
e
type
type)表示的是类型,当然,并一定非要用 T 来表示,也可以是 K 等其他字母。
那 T 到底是什么类型呢?不知道,要看实例化
我们来学习模板可以用函数的参数列表来
类比
:
- 函数参数列表(类型变量1,类型变量2, ···,类型变量n)
- 模板参数列表<calss 类型1,calss 类型2,···,calss 类型n>
两个类型的模板:
template<class T1, class T2>
void func(const T1& x, const T2& y)
{
;
}
2.2 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
模板的实例化又分为隐式实例化
和显式实例化
2.2.1 隐式实例化(推导实例化)
隐式实例化:让编译器根据实参推演
模板参数的实际类型
我们直接来看实例化代码:
模板:
template<class T>
T Add(T x, T y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int a1 = 10, b1 = 5;
double a2 = 6.0, b2 = 8.0;
cout << Add(a1, b1) << endl;
cout << Add(a2, b2) << endl;
return 0;
}
运行结果:
我们发现隐式的调用和正常函数的调用一模一样。
编译器根据传递的两个实参
a
a
a,
b
b
b 都是
i
n
t
int
int 类型,推断
出模板中的 T 是int
,实例化相应函数。
那下面这样行不行呢?
int main()
{
int a = 10;
double b = 5.0;
cout << Add(a, b) << endl;
return 0;
}
肯定是不行
的
在编译期间,编译器实例化时,需要推演其实参类型
通过
a
a
a 将 T 推演为
i
n
t
int
int,通过
b
b
b 将 T 推演为
d
o
u
b
l
e
double
double
但模板中只有一种
类型 T
编译器此时无法
将 T 确定
为
i
n
t
int
int 还是
d
o
u
b
l
e
double
double 而报错
注:在模板中,编译器一般不会进行类型转换操作
,因为一旦转换出问题,第一个背锅的就是编译器。、
此时有两种解决方法:
使用显式实例化
用户自己强制转化
//强制转化
Add(a, (int)b);
Add((double)a, b);
2.2.2 显式实例化
显式实例化:在函数名后的<>
指定模板参数的实际类型
int main()
{
int a1 = 10, b1 = 5;
double a2 = 6.0, b2 = 8.0;
cout << Add<int>(a1, b1) << endl;
cout << Add<double>(a2, b2) << endl;
return 0;
}
那显式实例化能传递两个不同类型吗?
可以的
int main()
{
int a = 10;
double b = 5.0;
//显式实例化传递不同类型
cout << Add<int>(a, b) << endl;
return 0;
}
这里, d o u b l e double double 进行隐式类型转换,转换成 i n t int int 类型
当然,这里他们能够发生类型转换是因为他们的类型相近,都是用来表示数据大小。像是指针这种就不能发生隐式类型转换。
目前我们接触到达到的能发生隐式类型转换的就两类
浮点型
和整型
之间- 自定义类型单参数/多参数
构造函数
注: 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
。
当然,这里更加推荐的是另写一个可以传递两个类型 A d d Add Add函数模板。
有些情况是通过推导式推导不出
参数类型的,必须显式实例化
template<class T>
T* func(int n)
{
return new T[n];
}
这时,编译器是不可能推导出你的返回类型的,必须显式实例化
int* p1 = func1<int>(10);
2.3、函数模板的原理
函数模板的原理是什么呢?
模板是一个蓝图,它本身并不是函数
,是编译器根据使用方式产生特定函数的模具
以前,我们想要实现不同类型的
S
w
a
p
Swap
Swap 函数,要自己吭哧吭哧地去敲。现在,有了模板,编译器帮你生成了。
模板其实就是将本来应该我们做的重复的事情交给编译器来做
在编译阶段,编译器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 d o u b l e double 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 d o u b l e double double 类型,然后产生一份专门处理 d o u b l e double double 类型的代码,对于其他类型也是如此。
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}
int main()
{
int a1 = 10, b1 = 5;
double a2 = 6.0, b2 = 8.0;
Swap<int>(a1, b1);
Swap<double>(a2, b2);
return 0;
}
像是Swap<int>(a1, b1)
和Swap<double>(a2, b2)
,他们调用的是同一个函数吗?
我们通过底层汇编指令来看看
可以看得到call指令
跳转的地址是不一样的,说明他们调用的不是同一个函数
2.4、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,而且该函数模板可以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
}
- 对于
非模板函数
和函数模板
,如果其他条件相同,会优先调用非模板函数而不会从模板函数产生出一个实例。如果模板函数可以才产生一个具有更好匹配的函数
,那么选择模板
相同条件下,有现成的我为什么还做要二次加工的东西呢?
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return (left + right) * 10;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
return left + right;
}
int main()
{
// 与非函数模板类型完全匹配,不需要函数模板实例化
cout << Add(1, 2) << endl;
// 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
cout << Add(1, 2.0) << endl;
return 0;
}
运行结果:
3. 模板函数不允许自动类型转换,但普通函数可以自动类型转换
3 类模板
3.1 类模板的定义格式
t e m p l a t e template template< c l a s s class class T1, c l a s s class class T2,···, c l a s s class class Tn>
c l a s s class class 类模板名
{
// ···
}
类模板的定义格式可以类比
函数模板,这里不再过多解释
3.2 实现栈类模板
我们实现一个栈类模板来感受一下
template<class T>
class Stack
{
public:
//构造函数
Stack(int n = 4)
:_array(new T[n])
, _capacity(n)
,_size(0)
{}
//析构函数
~Stack()
{
delete[] _array;
_array = nullptr;
_capacity = _size = 0;
}
//传参尽量引用,不改变尽量加const
//T有可能是自定义类型
void Push(const T& x)
{
//扩容
//C++中没有renew的函数,需要自己实现扩容
if (_size == _capacity)
{
T* tmp = new T[2 * _capacity];
memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
delete[] _array;
_array = tmp;
_capacity *= 2;
}
_array[_size++] = x;
}
private:
T* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
3.3 类模板为何优于 typedef
现在有一个问题:实现类模板与之前
t
y
p
e
d
e
f
typedef
typedef 有什么区别呢?
如果我要在同一个层,一个栈中存
i
n
t
int
int 类型,一个栈存
d
o
u
b
l
e
double
double 类型,那么只有类模板能做到
int main()
{
Stack t1;//存int
Stack t2;//存double
return 0;
}
3.4 类模板的实例化
类模板 只能显式实例化
为什么呢?编译器:要不你来推导推导 T 是什么
类模板的显式实例化
int main()
{
Stack<int> st1;
st1.Push(1);
Stack<double> st2;
st2.Push(1.1);
return 0;
}
实例化后
s
t
1
st1
st1 与
s
t
2
st2
st2 不是同一个类型
本质上,如果我们自己写也是不同的类。
现在只是这些类很相似,编译器默默承担了这一切而已
类模板与函数模板的原理是一样
3.5 类模板的声明与定义分离
类模板成员函数声明与定义分离这样可以吗?
template<class T>
class Stack
{
public:
//构造函数
Stack(int n = 4)
:_array(new T[n])
, _capacity(n)
,_size(0)
{}
//析构函数
~Stack()
{
delete[] _array;
_array = nullptr;
_capacity = _size = 0;
}
void Push(const T& x);
private:
T* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
void Stack::Push(const T& x)
{
//扩容
//C++中没有renew的函数,需要自己实现扩容
if (_size == _capacity)
{
T* tmp = new T[2 * _capacity];
memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
delete[] _array;
_array = tmp;
_capacity *= 2;
}
_array[_size++] = x;
}
是不行的,因为template<class T>
定义的模板 只能给当前的模板用
我们要在类外定义的成员函数前再定义模板,并且指定类域
template<class T>
class Stack
{
public:
//构造函数
Stack(int n = 4)
:_array(new T[n])
, _capacity(n)
,_size(0)
{}
//析构函数
~Stack()
{
delete[] _array;
_array = nullptr;
_capacity = _size = 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)
{
//扩容
//C++中没有renew的函数,需要自己实现扩容
if (_size == _capacity)
{
T* tmp = new T[2 * _capacity];
memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
delete[] _array;
_array = tmp;
_capacity *= 2;
}
_array[_size++] = x;
}
P
u
s
h
Push
Push 函数的 T 可全部换成其他标识,如:X。因为具体实例化后 T 是一个具体的类型
,实例化能匹配上就可以了,它不管当前的模板是 T 还是 X
template<class X>
void Stack<X>::Push(const T& x)
{
if (_size == _capacity)
{
X* tmp = new X[2 * _capacity];
memcpy(tmp, _array, sizeof(X) * _size);
delete[] _array;
_array = tmp;
_capacity *= 2;
}
_array[_size++] = x;
}
但最好别这么做,容易被打,最好和前文保持一致
注:类模板不建议
声明和定义分离到两个文件 (.h 和 .cpp),会出现链接错误
好啦,本期关于模版的知识就介绍到这里啦,希望本期博客能对你有所帮助。同时,如果有错误的地方请多多指正,让我们在C语言的学习路上一起进步!