【C++】初步认识模板-Toy模板网

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🏖️作者：@malloc不出对象
⛺专栏：C++的学习之路
👦个人简介：一名双非本科院校大二在读的科班编程菜鸟，努力编程只为赶上各位大佬的步伐🙈🙈

前言

本篇文章我们讲解的是模板，它极大的节省了我们成本去构造多份差不多的代码，它是复用性很强的一种手段，下面就让我们初步认识一下模板吧。

一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？我们可能会写出多个交换函数的版本：

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多版本的交换函数，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？

【C++】初步认识模板,c++

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，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），那将会节省许多时间。基于这样的原因，模板就被C++之父设计出来了。

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。

【C++】初步认识模板,c++

二、函数模板

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。

函数模板格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>，同样也可以使用template<class T1, class T2, ......, class Tn>，关于这两种方式的区别我们后续再来谈。
返回值类型函数名(参数列表){}

下面我们先来简单的看看它的用法：

#include <iostream>
using namespace std;

//template<class T>
template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);
	cout << a << " " << b << endl;

	double c = 1.2, d = 3.4;
	Swap(c, d);
	cout << c << " " << d << endl;

	return 0;
}

【C++】初步认识模板,c++

从上述结果中我们发现利用函数模板的确实现了不同版本的交换函数，那么函数模板它到底是如何实现不同版本的交换函数的呢？我们调用函数时都是调用的函数模板吗？

2.1 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去完成。

【C++】初步认识模板,c++

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，对于其他数据类型也是如此。

我们通过反汇编来查看一下这其中的逻辑：

【C++】初步认识模板,c++

我们发现编译器根据传入的实参类型自动推演生成对应类型的函数，实际我们调用的也就是编译器自动生成的函数。

2.2 函数模板的实例化

函数模板实例化：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。

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)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.2, d2 = 20.3;
	
	// 实参传递给形参，自动推演模板类型
	cout << Add(a1, a2) << endl;
	cout << Add(d1, d2) << endl;

	return 0;
}

【C++】初步认识模板,c++

如果我们想传递两个类型不同的实参进行相加，是否能够达到目的呢？

【C++】初步认识模板,c++

从报错信息我们知道，此时我们的模板参数类型都是T，那么在传递实参时一个为int类型一个为double类型，此时模板参数类型就确定不了，编译器也不敢擅自做类型转换操作，那么我们该如何操作呢？

第一种方法就是进行强制类型转换，使模板参数类型保持一致，然后实例化出对应的函数模板：

【C++】初步认识模板,c++

注：上述的模板参数必须使用const修饰，因为强制类型转换会产生临时变量，临时变量具有常属性，实参具有常属性那么形参也要保持一致！！！

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

指明模板参数的实际类型之后，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。

上述两个实参类型不同而模板参数类型是一致的，所以我们需要保持实参类型一致才能实例化出对应的函数，那么我觉得这个地方其实是有些别扭且不方便的，我们就是想让类型不一致的进行相加呢？

实际上我们的模板参数类型并不一定只有一种，这里我们可以使用两种模板参数类型来完成这个任务：

【C++】初步认识模板,c++

注：上述模板参数返回类型可以是T1也可以是T2，可以按照自己的需求来设计。

2.3 模板参数的匹配原则

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

【C++】初步认识模板,c++

一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，这其实也说明了函数模板实例化出来的函数与非模板函数是独立的两份不同的函数，它们的函数名经过修饰后也必定是不一致的。

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。

以下图为例，当非模板函数和一个同名的函数模板同时存在时，编译器会优先去考虑效率高的方式(最为合适的方式)。

【C++】初步认识模板,c++

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

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 };

我们先来看一个简单的例子：

typedef double STDataType;

class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 0)
	{
		_a = new T[5];
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_capacity = _top = 0;
	}

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

利用typedef我们就能实现多种数据类型的栈结构，增强了代码的维护性，但是如果我想要同时实现多份不同数据类型的栈结构呢？此时我们使用typedef还能做到吗？答案是不行的，typedef只适用于实现一份数据类型的栈结构，，那么我们想同时实现多份不同数据类型的栈结构就只能使用我们的类模板了。

3.1 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。

【C++】初步认识模板,c++

函数模板实参传递给形参时可以推演模板参数类型，而类模板是不确定的，在实例化对象调用构造函数初始化过程中，模板参数是不确定的。如上图在对象实例化时，调用构造函数此时我们的模板参数类型T无从得知。

注：类模板必须显式实例化！！！

3.2 类模板与模板类

类模板是一个类家族，模板类是通过类模板实例化的具体类。类模板的重点是模板表示的是一个模板，专门用于产生类的模子；模板类的重点是类，表示的是由一个模板生成而来的类，类模板中的虚拟类型参数指定成一个具体的数据类型参数就是模板类。更通俗一点来说，类模板可以看作是做蛋糕的模具，模板类可以看作是通过蛋糕模具做出来的蛋糕。

【C++】初步认识模板,c++

下面我们来看一个例子，来讲讲类模板的性质：

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

int main()
{
	Vector<int> v1; // Vector类名，Vector<int>才是类型
	Vector<double> v2;
	
	return 0;
}