C++模板的用法

目录

模板的概念

函数模板（Function Templates）

基本用法

函数模板的实例化

匹配原则

类模板（Class Templates）

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模板的概念

C++中的模板（Templates）实际上是一种泛型编程（Generic Programming）技术。泛型编程的核心思想是编写能够处理不同类型数据的通用代码，而不必为每种数据类型都编写独立的代码。这使得代码更加灵活、可重用和高效。模板可以在编写代码时将类型参数化，允许我们在不同的数据类型上执行相同的操作，从而提高了代码的通用性。它们在很多情况下都可以代替手动编写相似的代码，从而减少了冗余代码的数量。

然而，模板编程也可能引入一些复杂性。编译器在实例化模板时会生成特定类型的代码，因此模板可能导致编译时间增加。同时，错误消息也可能变得较为晦涩，因为模板的错误信息通常在编译器实例化时才会显示。

C++中的模板有两种主要形式：函数模板和类模板。

函数模板（Function Templates）

函数模板允许我们定义通用的函数，其中的参数类型是参数化的。这样，我们可以编写一次函数代码，然后在不同类型的参数上调用该函数，而无需为每种参数类型都编写一个单独的函数。函数模板使得我们能够编写一次算法代码，然后用于不同类型的数据。

基本用法

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值 函数名(参数列表)
{// 函数体
}/* 注释：这里的typename也可以用class。typename是C++11标准支持的，C++11之前，一般都用class
*/

用法示例

// 一个模板参数
template<typename T>
void add(T& a, T& b)
{return a + b;
}// 两个模板参数
template<typename T1, typename T2>
void add(T1& a, T2& b)
{return a + b;
}

函数模板的实例化

        函数模板可以看作是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器根据具体的使用方式产生特定类型函数的模具。所以模板其实就是将本来应该我们做的重复的事情（比如定义多个类似的函数重载）交给了编译器。
        在编译器的编译阶段，编译器会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，然后生成一份专门处理double类型的代码，这样我们在使用double类型代码时就会找到对应的代码入口，而不是要找函数模板的位置。也就是说，当我们使用了两种类型的模板时，比如T为int和T为double的情况，这两种其实生成的是两个代码，只不过这些工作都由编译器为我们做了。

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用不同类型的参数使用函数模板就被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；显式实例化，在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

假定有如下的类模板：

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

那么对应的示例如下：

Add(7,8); // 隐式实例化
Add<int>(2,5);  // 显示实例化// 隐式实例化可能会出现类型自洽，比如下面这种
Add(10, 3.14159); //error// 相应的问题显示实例化就不大容易出现
// 因为果类型不匹配，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
// 下面这句代码就是3.14向指定的int算数转换，且可以转换成功，故代码正常运行
Add<int>(20, 3.14); //OK

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。
2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调用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。反之， 那么将选择模板的情况。
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

示例如下：

// 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<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

// 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
}

 

类模板（Class Templates）

类模板允许我们定义通用的类，其中的数据类型和一些行为是参数化的。通过在实例化时提供具体的类型参数，我们可以创建一个特定类型的类。这使得我们能够编写一次代码，然后在多种不同数据类型上使用。类模板允许我们创建具有通用行为的类，而不必为每种类型都创建一个新类。

写法格式

template<typename T1, typename T2, ..., typename Tn>
class 类模板名
{// 类内成员定义
};/* 注释：这里的typename也可以用class。typename是C++11标准支持的，C++11之前，一般都用class
*/

实例化

类模板的实例化不同于函数模板的实例化，类模板的实例化只能显示实例化，即使用时必须显示的指定类型，编译器无法对类模板进行类型推导。