【C++模板初阶】

news2024/9/20 20:47:33

文章目录

一、泛型编程
二、函数模板
- 1.函数模板概念
- 2.函数模板格式
- 3.函数模板的原理
- 4 函数模板的实例化
- - 1. 隐式实例化
  - 2. 显式实例化
  - ==不同类型形参传参时的处理==
- 5.模板参数的匹配原则
三、类模板
- 1 类模板的定义格式
- 2 类模板的实例化

一、泛型编程

首先大家先思考一个问题：如何实现一个通用的交换函数呢？->

其中一个方法是使用函数重载来实现：

代码示例


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;
}
......

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

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。

另一个方法是利用模板来实现。

二、函数模板

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.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<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

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)

同时，针对Swap的命名，不要用小写swap，会报错:

在这里插入图片描述

这是与库里面的swap()造成了冲突，所以我们用命名空间来解决这个问题：

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述
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。

4 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。

1. 隐式实例化

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>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}


int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
	cout<<Add(a1, a2)<<endl;
	cout<<Add(d1, d2)<<endl;
	
	/*
该语句不能通过编译，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
注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅
Add(a1, d1);
*/
// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
	Add(a1, d2);
    Add(a, (int)d);
	return 0;
}

2. 显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>中指定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 = 10.1, d2 = 20.2;
	//自动推演实例化
	cout<<Add(a1, a2)<<endl;
	cout<<Add(d1, d2)<<endl;

	cout << Add(a1, (int)d2) << endl;
	cout << Add((double)a1, d2) << endl;

	//显示实例化
	cout << Add<double>(a1, d2) << endl;
	cout << Add<int>(a1, d2) << endl;

	return 0;
}

显式实例化时，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。

不同类型形参传参时的处理

1.传参时强转（对应形参需要const修饰）

template<typename T>
T Add(const T& a,const T& b)//const接收常性实参
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 5;
	double m = 2.3, n = 4.9;
	Add(a, (int)m);//强转，临时变量传参，具有常性
	return 0;
}

使用强制类型转换在推演的时候将形参转换成同一类型。

2.显式实例化（传参时隐式类型转换，对应形参需要const修饰）

template<typename T>
T Add(const T& a, const T& b)//需要使用const接收
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 5;
	double m = 2.3, n = 4.9;
	Add<int>(a, m);//显式实例化，m发生隐式类型转换
	return 0;
}

显式实例化编译器不再去推演T的类型，而是直接使用尖括号内的类型实例化对应函数。

3.使用多个模板

template<typename T1,class T2>//可以写typename也可以写class
T1 Add(const T1& a, const T2& b)
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 5;
	double m = 2.3, n = 4.9;
	Add(a, m);//Add<int,double>(a,m);多个模板的手动推演
	return 0;
}

5.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 T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	cout << Add(a, b) << endl;// 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
    cout<< Add<int>(1, 2)<<endl; // 调用编译器特化的Add版本
	return 0;
}

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

三、类模板

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
// 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>
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;
}

2 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。

int main()
{
	//类模板一般没有推演时机，函数模板实参传递形参，推演模板参数
	//显示实例化
	//他们是同一个类模板实例化出来的
	//但是模板参数不同，他们就是不同类型
// Stack是类名，Stack<int>才是类型
 Stack<int> st1; // int
 Stack<double> st2; // double
 return 0;
 }