【C++】C++模板基础知识篇

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1. 泛型编程

实现一个通用的交换函数：

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;
}

在实现不同类型的参数Swap就得写很多个，
用起来太麻烦了。

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

所以c++就提供了模板，就相当于一个模具，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码。

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。

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。

2.2 函数模板格式

函数模板传的是类型。

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

返回值类型 函数名(参数列表){}

把上面代码的Swap写成模板就是：

template<class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);

	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	Swap(d1, d2);

	return 0;
}

这样就不用每次换一个类型就再写一个函数了。
那么他们调用的函数是同一个吗？
其他并不是。在调试的时候进去的确实是void Swap(T& x, T& y)，这个只是编译器方便调试所展示出来的。
编译器会根据用户的调用，推出T的类型，生成类似T类型的Swap。如果用户传的是int，那么T就是int，生成类似int类型的Swap。

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）。

2.3 函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

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C++里面就有模板


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。

所以之后写swap时候直接就能用

2.4 函数模板的实例化

编译通过推出类型，用函数模板，生成对应的函数，这个过程叫做模板实例化。
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：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(a1, a2) << endl;

	cout << Add(a1, d2) << endl;
	return 0;
}

这里存在歧义，a1传过去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。

那么怎么解决呢？
1、用户自己来强制转化
可以将a1强转为double
或者将d2强转为int，反正结果不一样。

2、使用显式实例化，那么怎么用呢？
显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
想要什么类型就用什么在函数名后的<>加什么类型。

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。

3、写多个参数的模板（一般不用）

template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}

一般是两个类型谁的类型更大，就是谁。但一般不会让两个不同类型的变量相加的。

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

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

int Add(const int& left, const int& 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;

		return 0;
}

没有模板时候隐式类型转换能用，
两个同时存在时候有没有歧义呢？
编译器有个原则：
1、有现成，吃用成的 （匹配）
2、有现成的，但是不够匹配，有模板，就会选择自己实例化模板

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 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
}

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

3. 类模板

3.1 类模板的定义格式

模板有多个参数时，用“，”分隔。

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

template<class T>
class Stack
{
public:
	void push(const T& x)
	{
		//...
	}

private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};




int main()
{
	Stack s1; // int
	Stack s2; // double

	return 0;
}

模板和typedef有什么区别？
如果typedef能够解决像栈队列这些数据结构的问题，C语言为什么不供，就是语法不好用。
真正解决不了的是给栈里面数据类型不同的时候该怎么做？

c语言就得写两个类：

typedef int STDataType;
typedef double STDataType;

class Stackint
{
public:
	void push(const STDataType& x)
	{
		//...
	}

private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

class Stackdouble
{
public:
	void push(const STDataType& x)
	{
		//...
	}

private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

3.2 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。

emplate<class T>
class Stack
{
public:
	void push(const T& x);
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};


int main()
{
	// 同一个类模板实例化出的两个类型
	Stack<int> s1;
	Stack<double> s2;

	return 0;
}

同一个类模板实例化出的两个类型，只提供模板就行，其他工作是编译器做。

在模板这里得注意一点：在之前普通类类名和类型是一样的，但是模板得加上<>

类模板不能声明定义分离到两个文件。

有问题请指出，大家一起进步！！！