【C++】模板初阶

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前言

本篇博客主要内容：初步接触C++模板语法。

在进行完类和对象内容之后，就可以开始我们C++学习的第二个阶段：STL库的学习。不过在进入STL内容的深度学习之前，需要给大家简单补充一下C++模板部分的知识。话不多说，开始我们今天的内容。

泛型编程

C语言中，我们经常会编写和使用到一些函数，比如Swap函数，用来交换两个变量的值。但，如果你的需求是要交换各种类型数据，可能就需要多写几个接口，如下：

// 提供能交换整型变量的函数
void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
// 提供能交换浮点型的函数
void Swap(double& left, double& right)
{
	double temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
// 提供能交换字符类型的函数
void Swap(char& left, char& right)
{
	char temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
// 。。。。

这样确实能解决问题，但是缺陷也是非常明显的：

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？
在C++中，存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料（类型），来获得不同材料的铸件（即生成具体类型的代码）。

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。

模板

在C++中，你可能会遇到一些函数或类，它们需要处理不同的数据类型，但算法或逻辑是相似的。为了避免为每个数据类型都编写一个专门的函数或类，C++引入了模板的概念。通过使用模板，你可以编写一个通用的函数或类，并在需要时指定数据类型。
C++中的模板分为函数模板和类模板两种。
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函数模板

概念及简单使用

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。

函数模板的格式：
template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){ }

例如，以下是一个简单的函数模板，实现了所有类型的Swap函数，同时提供了几个测试用例：

#include<iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double da = 1.1, db = 2.2;
	char ca = 'a', cb = 'b';
	int* pa = &a;
	int* pb = &b;

	cout << a << " " << b << endl;
	Swap(a, b);
	cout << a << " " << b << endl;
	cout << endl;

	//。。。
	return 0;
}

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一个需要写上好多遍才能将所有类型都完善的交换函数，得益于函数模板的出现，将冗余大量的代码压缩，同时增强了可维护性。

注：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class来代替（但不能使用struct来代替typename）

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。

所以，程序运行的并不是我们编写的Swap函数模板，而是通过编译器和我们所写模具推演生成的一个个确切独立的函数。
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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。

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：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << left << "+" << right << "=" << left + right << endl;
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);
	cout << endl;
	/*
	Add(a1, d1);
	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
	*/
	// 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
	// 用户自己强转
	Add(a1, (int)d1);
	// 显示实例化
	Add<double>(a1, d1);
	return 0;
};

上述代码的重点是，Add(a1,d1);无法编译运行。

注：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。

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2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

#include<iostream>
using namespace std;

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

int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.2;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	Add<double>(a, b);
	return 0;
}

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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。

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)
{
	cout << "Add(int left, int right)" << endl;
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	cout << "Add(T left, T right)" << endl;
	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
}

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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)
{
	cout << "Add(int left, int right)" << endl;
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "Add(T1 left, T2 right)" << endl;
	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
}

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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

可以简单总结一下以上三点，也就是模板函数和普通函数的调用顺序规则：

如果两者都有，优先匹配普通函数+参数类型匹配

没有对应类型普通函数，优先函数模板+参数类型匹配

只有一个，类型转换一下能用，也可匹配调用

总的来说，就是编译器会根据实参尽量匹配和生成更加合适的函数。

类模板

概念及简单使用

概念：其实同函数模板极其相似，也是起着一个 “蓝图” 的作用。类模板允许你编写一个通用的类，该类可以处理多种数据类型的成员。在类模板的定义中，同样使用类型参数来表示数据类型，并在类成员中使用这些类型参数。在创建类模板的实例时，需要指定类型参数的具体类型。

类模板的格式：
template<class T1, class T2, …, class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

这时可以简单的用类写一个动态的顺序表结构，用上咱们的类模板：

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()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

这时候我们用模板写的类并不是一个确切的类，而是一个类的模具，我们可以用这个顺序表模具去实例化可以存放不同数据的类，通过实例化出来的类就可以创建所需要的对象了。

注：在使用类模板时，不建议声明和定义分离到.h和.cpp两个文件中，而是统一放到.h文件中，否则容易出现链接错误，具体原因会在模板进阶中讲到。

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。 相当于类模板只能通过显示实例化。

// Vector类名，Vector<int>和Vector<double>才是类型
Vector<int> s1;// 示例化出存放整型的对象s1
Vector<double> s2;// 示例化出存放浮点型的对象s2

上述示例化出来的结果中，s1是一个可以存放整型数据的顺序表对象，同时s2是一个可以存放浮点型数据的顺序表对象。

结语

本篇博客主要介绍了模板，从C语言提供Swap功能的缺陷引入，提供了解决代码冗余和可维护性的解决方案——模板。模板分为函数模板和类模板，函数模板允许你编写一个通用的函数，该函数可以处理多种数据类型的参数。类模板允许你编写一个通用的类，该类可以处理多种数据类型的成员。同时还讲到了两种模板的定义和实例化方式，显示实例化和隐式实例化，类模板只能显示实例化。
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