【STL模版库】STL入门 {模版初阶：泛型编程，函数模版，类模版；STL简介：什么是STL，STL六大组件}

news2024/11/24 5:05:27

一、模版初阶

1. 泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

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

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？

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。

在这里插入图片描述

2. 函数模板

2.1 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。

2.1 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){}

typename 后跟模版类型名可以随便取，一般取大写字母或单词首字母大写，如：T, Ty, K, V等。

template<typename T> //定义模板类型（虚拟类型）
void Swap( T& left, T& right) //定义函数模版
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

注意：typename是用来定义模板类型的关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用于产生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。也就是说传入不同类型的参数调用的是不同的函数，函数的地址也不同。

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。

2.4 函数模板的实例化

利用函数模版产生具体类型的函数，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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

    注意：定义模版类型是可以在后面加默认值。如果缺省类型没有显示的实例化就会采用默认类型。但在调用模版函数时还要加<>。

//template<class T = int> // 定义模版类型是可以在后面加默认值
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);

	//Add(a1, d1); //编译报错；原因：只有一个模版类型，推演实例化矛盾

	// 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(a, (int)d);
    return 0;
}
  1. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

提示：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。

下面的函数模版必须显示实例化，因为函数参数中未指定模版参数的类型。

template<class T>
T* Func(int n)
{
    T* a = new T[n];
    return a;
}

2.5 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(1.5, 2.5); // 调用编译器特化的Add版本
	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

提示：调用函数时，编译器会先看有没有同类型参数的非模板函数，如果没有才会用函数模版实例化对应的函数。

  1. 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， 那么将选择该模板
// 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(1.0, 2); // 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
}

注意：模板函数不允许自动类型转换（除非进行显示的实例化），但普通函数可以进行自动类型转换

3. 类模板

3.1 类模板的概念

看以下代码：

typedef char STDateType;

class Stack
{
private:
    STDateType *_a;
    int top;
    int capacity;    
}

int main(){
    Stack st1; //顺序表中存储char类型
    Stack st2; //顺序表中存储int类型???
}

结论：面对这种情况，C语言无法定义存储不同类型数据的栈，除非复制代码定义不同的类，那样过于麻烦，且不利于维护。

类模版：类模板代表了一个类家族，该类模板与类型无关，根据指定的模版类型产生类的特定类型版本。

3.2 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
};

举例：定义顺序表的类模版

// 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() // 注意：Vector<T>才是类型名
{
	if(_pData)
	delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

  • 不支持分文件编写类模版的声明和成员函数的定义。

  • 一般类模版的声明和成员函数的定义都放在一个后缀为.hpp的文件中。

注意：模版在同一个文件中是可以声明和定义分离的。

3.3 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<>进行显示的实例化，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。

Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

注意：Vector是类模版名，Vector才是实例化出的类型名

二、STL简介

1. 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且
是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

提示：STL在std命名空间当中，因此使用STL要展开std命名空间using namespace std;

STL的版本

  • 原始版本
    Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意
    运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使
    用。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。
  • P. J. 版本
    由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，
    符号命名比较怪异。
  • RW版本
    由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
  • SGI版本
    由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版 本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，
    可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性 非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，
    主要参考的就是这个版本。

2. STL的六大组件

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