C++泛型编程：模版

news2024/9/23 8:26:25

引言        

泛型编程（Generic Programming）是一种编程范式，允许编写与类型无关的代码，从而使程序更加灵活和可重用。在C++中，泛型编程主要通过模板（Templates）来实现。模板使得我们可以编写通用函数和类，从而在不同类型之间复用相同的算法或逻辑。这样，程序的灵活性和可扩展性得到了极大的提升。

例如一个交换函数，我们可能由于不同的参数类型，要重载多个函数。

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;
}

而c++的模版便是告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型通过该模子来生成代码，只需要下面一段代码就能实现上面的所有功能

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

接下来，让我们一起来深入了解 C++ 模板的概念、用法以及一些高级特性吧。 

1.函数模版

函数模板允许我们创建一个可以处理不同类型参数的函数。

1.1基本语法

template <typename T>
T functionName(T arg1, T arg2) {
    // 函数体
}

 template <typename T>：定义一个模版，T是类型参数（类型参数可自定义）

T functionName (T arg1, T arg2)：函数返回类型和参数类型均为模板参数

1.2实例

隐式化实例：

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a1 = 10;
	int a2 = 20;
	double b1 = 10.1;
	double b2 = 20.1;

	Add(a1, a2);
	Add(b1, b2);
	
	//没有与参数列表匹配的函数模版实例
	//Add(a1, b1);

	// 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, (int)b1);

	return 0;
}

显示化实例：在函数名后的<>中指定模版参数的实际类型

int main()
{
	int a1 = 10;
	double b1 = 10.1;

	Add<int>(a1, b1);

	return 0;
}

1.3模版参数匹配原则 

完全匹配优先，非模板函数优先

当调用模板时，编译器首先尝试找到与调用模版参数类型完全匹配的模版实例，如果非模板函数参数完全匹配，则优先选择非模板函数

// 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 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
}

1.4函数模板默认参数

函数模板的默认参数是在函数模板定义中为模板参数指定的默认值。当使用函数模板时，如果没有为相应的模板参数提供具体的值，就会使用默认参数。
以下是一个函数模板默认参数的示例：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T = int, int N = 10>
void printArray(T arr[]) {
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << std::endl;
}

int main() {
    int intArray[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printArray(intArray); // 使用默认参数，T 为 int，N 为 10

    double doubleArray[] = {1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5, 6.6, 7.7};
    printArray<double, 7>(doubleArray); // 显式指定模板参数，T 为 double，N 为 7

    return 0;
}


在这个例子中，函数模板 printArray 有两个模板参数 T 和 N ，分别表示数组元素的类型和数组的大小。 T 的默认类型是 int ， N 的默认值是 10 。
 
需要注意的是，函数模板默认参数的指定应该遵循一定的规则：
 
1. 默认参数只能从右向左依次提供，即如果某个模板参数有默认参数，那么它右边的所有模板参数也必须有默认参数。
2. 在函数模板调用时，如果要为某个模板参数提供具体的值，那么它左边的所有模板参数也必须显式地指定。

2.类模版

类模板允许我们创建可以处理任意数据类型的类。

2.1类模板的基本语法

类模板的语法类似于函数模板。我们通过template关键字引入类型参数（或其他参数），以定义一个类模板。常见的形式是：

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

这里的T是一个模板参数，表示将来可以用来替代任何类型。Class类中的成员变量、构造函数和成员函数都使用模板参数T，因此该类可以处理不同类型的数据。

2.2实例

// 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;
};

2.3非类型模板参数

除了类型参数外，类模板还可以接受非类型的模板参数。非类型参数通常用于定义与类型无关的值，例如数组的大小、常量等。例子如下：

template<typename T, int Size>
class Array {
private:
    T arr[Size];
public:
    Array() {
        for (int i = 0; i < Size; ++i) {
            arr[i] = 0;
        }
    }
    T& operator[](int index) {
        return arr[index];
    }
    int getSize() const {
        return Size;
    }
};

在这里，`Array`类模板接受一个类型参数`T`和一个整数参数`Size`，用于定义数组的大小。该模板可以实例化不同类型和大小的数组。

使用方式：

int main() {
    Array<int, 5> intArray;  // 定义一个包含 5 个 int 元素的数组
    intArray[0] = 10;
    std::cout << intArray[0] << std::endl;  // 输出 10
    std::cout << "Size: " << intArray.getSize() << std::endl;  // 输出 5
}

2.4. 类模板的默认参数

类模板和函数模板一样，也可以为模板参数提供默认值。

template<typename T = int>
class MyClass {
private:
	T value;
public:
	MyClass(T v) 
		: value(v) 
	{}
	T getValue() const 
	{ 
		return value; 
	}
};

int main() {
	MyClass<> obj(10); // 使用默认的 int 类型
	std::cout << obj.getValue() << std::endl; // 输出 10
}

在这里，如果没有提供模板参数，MyClass会默认使用int类型

需要注意的是，类模板默认参数的指定也要遵循一定的规则：
 
1. 默认参数只能从右向左依次提供，即如果某个模板参数有默认参数，那么它右边的所有模板参数也必须有默认参数。
2. 在函数模板调用时，如果要为某个模板参数提供具体的值，那么它左边的所有模板参数也必须显式地指定。

3.模板的特化

模板特化允许我们为特定类型定义不同于通用模板的特殊实现。当通用的模板定义不能满足某些特定类型的需求时，可以通过模板特化来提供专门的实现。类模板的特化分为完全特化和部分特化。

- 例如，假设有一个通用的模板函数用于比较两个值的大小：

template<typename T>
bool compare(T a, T b) {
    return a < b;
}

这个函数可以比较任何类型的值。但是，如果对于特定类型，如指针类型，需要不同的比较方式，可以进行模板特化：

template<>
bool compare<int*>(int* a, int* b) {
    return *a < *b;
}


在这个特化版本中，专门针对 int* 类型的指针进行了比较，比较的是指针所指向的值的大小，而不是指针本身的地址大小。 

3.1模板的完全特化

函数模板的完全特化：

函数模板的特化可以为某种具体类型提供定制的实现：

#include <iostream>

template<typename T>
void func(T value) {
    std::cout << "General template: " << value << std::endl;
}

// 完全特化，针对 char* 类型
template<>
void func<char*>(char* value) {
    std::cout << "Specialized for char*: " << value << std::endl;
}

int main() {
    func(10);           // 调用通用模板，输出 "General template: 10"
    func("Hello");      // 调用特化版本，输出 "Specialized for char*: Hello"
}


在这个例子中，函数模板被特化为char*类型，并为该类型提供了不同的实现。

类模板的完全特化：

类模板的完全特化是针对某一特定类型提供特殊的实现。例如，我们为bool类型特化一个类模板：

template<typename T>
class MyClass {
public:
    void print() {
        std::cout << "General template\n";
    }
};

// 针对 bool 类型进行完全特化
template<>
class MyClass<bool> {
public:
    void print() {
        std::cout << "Specialized for bool\n";
    }
};

int main() {
    MyClass<int> obj1;
    obj1.print();  // 输出 General template

    MyClass<bool> obj2;
    obj2.print();  // 输出 Specialized for bool
}

在这个例子中，当模板参数为bool时，调用特化版本，而其他类型调用通用模板。

3.2模板的部分特化

部分特化是指特化模板的某些参数，而不是全部参数。类模板可以进行部分特化，但函数模板不能进行部分特化。

（1）类模板的部分特化

#include <iostream>

// 通用模板
template<typename T, typename U>
class MyClass {
public:
    void display() {
        std::cout << "General template\n";
    }
};

// 部分特化，当第二个参数是 int 时
template<typename T>
class MyClass<T, int> {
public:
    void display() {
        std::cout << "Partially specialized template for second parameter int\n";
    }
};

int main() {
    MyClass<double, double> obj1;
    obj1.display();  // 输出 "General template"

    MyClass<double, int> obj2;
    obj2.display();  // 输出 "Partially specialized template for second parameter int"
}

在这个例子中，当第二个模板参数为int时，会使用特化的模板。其他类型组合仍然使用通用模板。

（2）指针和引用的部分特化

部分特化还可以用于特定的类型模式，例如指针或引用类型。如下例：

#include <iostream>

// 通用模板
template<typename T>
class MyClass {
public:
    void display() {
        std::cout << "General template\n";
    }
};

// 部分特化，针对指针类型
template<typename T>
class MyClass<T*> {
public:
    void display() {
        std::cout << "Specialized template for pointer types\n";
    }
};

int main() {
    MyClass<int> obj1;
    obj1.display();  // 输出 "General template"

    MyClass<int*> obj2;
    obj2.display();  // 输出 "Specialized template for pointer types"
}

在这个例子中，MyClass<int*>会匹配到特化的指针类型版本，而MyClass<int>仍然使用通用模板。

3.3. 模板特化与继承

- 在 C++中，可以结合模板和继承来创建更加灵活和可扩展的类层次结构。通过模板参数，可以在基类中定义一些通用的功能，而派生类可以根据具体的需求进行特化或扩展。
- 例如，考虑一个通用的容器类模板：

template<typename T>
class Container {
public:
    void add(T item) {
        // 添加元素到容器的通用实现
    }
    // 其他通用的容器操作
};

然后，可以创建一个派生类来特化这个容器类，例如一个只存储整数的容器：

class IntContainer : public Container<int> {
public:
    // 可以添加针对整数容器的特殊操作
};

在这个例子中， IntContainer 继承自 Container<int> ，继承了通用容器类的功能，并可以根据整数的特点添加特定的操作。

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
class Base {
public:
    void print() {
        cout << "Base template\n";
    }
};

// 特化 Base 类，针对 int 类型
template<>
class Base<int> {
public:
    void print() {
        cout << "Specialized Base template for int\n";
    }
};

template<typename T>
class Derived : public Base<T> {
public:
    void show() {
        cout << "Derived template\n";
        this->print();
    }
};

int main() {
    Derived<double> obj1;
    obj1.show();  // 调用通用模板，输出 "Base template"

    Derived<int> obj2;
    obj2.show();  // 调用特化模板，输出 "Specialized Base template for int"
}

在这个例子中，基类Base<int>进行了完全特化，当派生类继承自Base<int>时，它将使用特化版本的print()函数，而其他类型使用通用版本。

4. 模板特化的应用场景

模板特化通常用于以下场景：

- 处理某些类型的特殊需求：例如，对bool类型、指针类型、数组类型等进行特殊处理。
- 针对容器或算法进行优化：在某些类型上进行优化以提高性能，例如对于std::vector<bool>的特殊优化。
- 处理特定类型的不同行为：例如，针对浮点数和整数提供不同的处理逻辑。
  

模板特化是C++泛型编程中非常强大且灵活的特性。通过模板特化，程序员可以为某些类型提供特定的处理方式，而不影响其他类型的通用逻辑。理解和合理使用模板特化可以让代码更加高效、灵活。

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