【C++入门】函数模板&&类模板（泛型编程）

目录

前言

?1. 泛型编程

?2. 函数模板

?2.1 概念

?2.2? 语法格式

?2.3 原理

?2.4 函数模板的实例化

?隐式实例化

?显示实例化

? 2.5 思考

??2.6?模板参数的匹配原则

?3. 类模板

?3.1 类模板的定义格式

?3.2 类模板的实例化

总结

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前言

????????函数模板和类模板是C++中的两种重要的模板形式，本文将系统的介绍函数模板和类模板这两个基本概念，以及它们在C++编程中的基本应用和使用方法。

?1. 泛型编程

? 先来看一个例子：

如何实现一个通用的函数（可应对任何类型的参数）？

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;
}
// ...

?以Swap函数为例，使用函数重载确实可以达到应对任何类型的参数，但是你会发现它的缺陷：

• 代码重复率很高，逻辑都是一样的
• 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

?为了解决这个问题，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

模板主要分为两类：

?

?2. 函数模板

?????2.1 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? 语法格式

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

void functionName(T1 param1, T2 param2, ...) 
{
    // 函数实现
}

?可以根据函数参数的类型种类来添加模板参数

?把 typename 换成 class 也可以的（不能使用struct代替class）

?使用示例：

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

?2.3 原理

? ? 我们尝试使用上述的Swap函数模板，交换两种不同类型的数据，两次调用的函数是否是同一个函数？

double a1 = 3.14, a2 = 12.56;
int b1 = 3, b2 = 6;
Swap(a1, a2);
Swap(b1, b2);

?它们调用的不是同一个函数

?????????在现在新版编译器的调试下，我们看到的是都调用了函数模板，看似是调用了同一个函数，但实际上不是。

?转到底层汇编，它们调用的不是同一个函数.

?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：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

?2.4 函数模板的实例化

?编译器根据实际的模板参数类型生成具体的函数实现的过程叫函数模板的实例化

?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

?比如：

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);

    return 0;
}

在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作

?当只有一个模板参数时，编译器无法确定数据类型。

两种解法：

• 用户自己来强制转化

Add(a1, (int)d1);

• ?使用显式实例化

?显示实例化

?在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

Add<int>(a1, d2);

?应用场景：

template<class T>
T* fun()
{
	T* p = new[10];
	return p;
}
int main()
{

	//fun(); //无法通过编译：无法推导“T”的 模板 参数
	return 0;
}

?这时候就只能使用显示实例化：

int* p = fun<int>();

?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

?显示实例化与隐式实例化在使用时应根据情况使用（并不常用）。

?2.5 思考

?显示实例化与隐式实例化适用于所有的模板函数吗？

不一定有些函数模板中就无法使用比如Swap函数模板：

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

int main()
{
	int b1 = 3, b2 = 6;
	
	double a1 = 3.14, a2 = 12.56;
	
	char ch1 = 'a', ch2 = 'b';
	
    Swap((int)a1, b2); //无法通过编译

	return 0;
}

?????????为什么无法通过？看着似乎没什么问题，但是好好观察思考一下你就会发现问题所在，强制类型转换中间会产生临时值，降临时值传入到函数模板中，问题就出在这里；

临时值具有常属性，而函数模板中没有const修饰，导致了权限放大，加上const就行了吗？

加上const就产生了新问题：修饰后的形参具有了常属性就无法再赋值了。

?所以Swap函数没法使用强转和显式实例化

2.6?模板参数的匹配原则

• ?非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，并且该函数模板还可以被实例化为这个非? ? ?模板函数
• 非模板函数和同名函数模板，如果同时存在并且参数类型两种都符合，在调动时会优先调用? 非模板函数，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
• ?模板函数不允许自动类型转换

?3. 类模板

?3.1 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
};

比如：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int n = 4);
	{
		cout << "Stack(int n = 4)" << endl;

		_a = new T[n];
		_top = 0;
		_capacity = n;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;

		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}

	void Push(const T& x)
	{
		//...
	}

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

?使用意义：类模板的使用可以存储各种类型的数据。

在C语言中我们使用typedef重命名便于修改不同的数据类型，但是应对以下情况较为复杂：

Stack st1; // 存int类型数据
Stack st2; // 存double类型数据

?要想在定义一个存储double类型数据就需要再写一个几乎一模一样的栈。代码复用率太低。

?使用注意：

• 类模板成员函数和类不能分离(放在两个文件里），会出现链接错误
• 类模板实例化的类：类名不是类型，类名<数据类型>才是整个类的类型
• 显示实例化的类型不同，他们就是不同的类

?类模板声明定义分离（类中声明，类外定义，在同一文件中）

?示例：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int n = 4); // 类中声明，类外定义
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;

		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}

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

template<class T>
Stack<T>::Stack(int n)
{
	cout << "Stack(int n = 4)" << endl;

	_a = new T[n];
	_top = 0;
	_capacity = n;
}

?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

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

Stack<int> st1;
Stack<double> st2;

Stack是类名，Stack<int>才是类型

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总结

? ? ? ? 以上便是本文的全部内容，?本文主要介绍了一些C++模板的基本使用，以及一些注意事项，希望对你有所帮助，感谢阅读！