【C++】模板初阶STL简介

今天，你内卷了吗？

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一、泛型编程

1.
假设要交换两个变量的值，如果只是用普通函数来做这个工作的话，那么只要变量的类型发生变化，我们就需要重新写一份普通函数，如果是C语言，函数名还不可以相同，但是这样很显然非常的麻烦，代码复用率非常的低。
那么能否告诉编译器一个模板，让编译器通过模板来根据不同的类型产生对应的代码呢？答案是可以的。

2.
而上面这样利用模板来生成类型所对应的代码，这样的思想实际上就是泛型编程。
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。
模板正是泛型编程的基础，模板又可以分为类模板和函数模板。

void Swap(int& left, int& right)
{int tmp = left;left = right;right = tmp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{double tmp = left;left = right;right = tmp;
}

二、函数模板（显示实例化和隐式实例化）

1.函数模板格式

1.
函数模板格式：
template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){ }

2.
typename和class是用来定义模板参数的关键字。

template<typename T>//typename和class这里都可以
void Swap(T& left, T& right)
{T tmp = left;left = right;right = tmp;
}
int main()
{int a = 1, b = 2;Swap(a, b);double c = 1.1, d = 2.2;Swap(c, d);return 0;
}

2.单参数模板

1.
模板的实例化有两种方式，一种是显示实例化，一种是隐式实例化，隐式实例化就是让编译器根据实参所传类型确定模板参数，然后推导出来函数，显式实例化是告诉编译器指定模板参数的类型。

2.
如果显示实例化后，实参与指定模板参数类型不同，则编译器会自动发生隐式类型转换。

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;//自动推演实例化，让编译器推导T的类型cout << Add(a1, a2) << endl;cout << Add(d1, d2) << endl;cout << Add((double)a1, d2) << endl;//强制类型转换，产生临时变量，临时变量具有常性cout << Add(a1, (int)d2) << endl;//显示实例化，直接告诉编译器T的类型cout << Add<double>(a1, d2) << endl;//隐式类型转换，产生临时变量，临时变量具有常性cout << Add<int>(a1, d2) << endl;return 0;
}

3.多参数模板

模板参数除单个外，也可以是多个，在使用上和单参数模板没什么区别，同样实例化的方式也可分为两种，一种是隐式实例化，一种是显示实例化。

template<class T1,class T2>
T1 Add(const T1& left, const T2& right)
{return left + right;
}
int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.1, d2 = 20.2;//自动推演实例化，让编译器推导T的类型cout << Add(a1, a2) << endl;//T1和T2都推成intcout << Add(d1, d2) << endl;//都推成doublecout << Add(a1, d2) << endl;//推成一个是int，一个是doublecout << Add(d1, a2) << endl;return 0;
}

4.模板参数的匹配原则

1.
普通函数和模板函数若同名，是可以同时存在的，相当于两个函数构成重载，在调用上，一般会优先调用普通函数，因为编译器虽然勤快，但是它不傻，他知道调用模板函数需要进行推演实例化，如果有现成的普通函数，他肯定不会去推导模板实例化的。但是如果强行显式实例化模板参数，那编译器也没辙，就会显示调用模板推导出来的函数。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)// _Z3Addii
{return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)// _Z3TAddii（修饰规则不一定这样，只是假设而已）
{return left + right;
}
//一个具体的函数和模板函数能不能同时存在呢？答案是可以的，他们是可以同时存在的
int main()
{int a = 1, b = 2;Add(a, b);//会优先调用具体的函数，而不是调用模板进行推导。编译器很勤快，但它不傻。Add<int>(a, b);//显示调用模板推导出来的函数。//上面两行代码可以说明模板推导的int函数和具体的int函数可以同时存在，那么就可以证明这两个函数的函数名修饰规则是不一样的return 0;
}

三、类模板（没有推演的时机，统一显示实例化）

1.类模板的使用

1.
类模板和函数模板在使用上有些区别，函数模板可以隐式实例化，通过实参类型进行函数推演，而类模板是无法隐式实例化的，因为没有推演的时机，所以对于类模板，统一使用显示实例化，即在类后面加尖括号，尖括号中存放类型名，进行类模板的实例化。

2.
值得注意的是类模板不是具体的类，具体的类是需要进行实例化的，只有类名后面的尖括号跟上类型才算实例化出真正的类。
例如下面的栈，如果想让栈存储不同类型的数据，就需要显示实例化类模板。

template<typename T>
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack(int capacity = )" <<capacity<<endl;_a = (T*)malloc(sizeof(T)*capacity);if (_a == nullptr){perror("malloc fail");exit(-1);}_top = 0;_capacity = capacity;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}void Push(const T& x)//用引用效率高一点，因为类对象可能所占字节很大，如果不改变最好加const{// ....// 扩容_a[_top++] = x;}private:T* _a;int _top;int _capacity;
};
int main()
{//Stack st1; st1.push(1);//st1.Push(1.1);//Stack st2; //st2.Push(1);//一个栈存int，一个栈存double这样的场景，用typedef无法解决，必须使用类模板来解决。//函数模板可以通过实参传递形参，推演模板参数。但是类模板一般没有推演的时机，统一使用显示实例化。Stack<int> st1;st1.Push(1);Stack<double>st2;st2.Push(1.1);//180和182行是两个不同的类类型，因为类的大小有可能不同，所以类模板相同，但模板参数不同，则类模板实例化出来的类是不同的。//st1 = st2;//这样的操作是不允许的，因为如果类不同，则实例化对象肯定也不相同，所以不可以赋值。return 0;
}

2.类模板实现静态数组

1.
std命名空间中的array可能和我们的array产生冲突，所以我们可以利用自己的命名空间将自己的类封装起来，以免产生冲突。

2.
利用运算符重载可以实现对静态数组中每一个元素进行操控。
与C语言不同的是，这种运算符重载可以不依赖于抽查行为，而是进行严格的越界访问检查，通过assert函数来进行严格检查。

#define N 10namespace wyn
{template<class T>class array{public:inline T& operator[](size_t i)//内联，不会建立栈帧，提高效率，减少性能损耗。{assert(i < N);//不依赖于抽查行为return _a[i];}private:T _a[N];};
}int main()
{int a2[10];//C语言对于越界访问是抽查的方式，访问近一点的位置，会查到报错，但访问远一点的位置，就有可能不会报错。//a2[10] = 10;//a2[20] = 20;//对于越界访问写，勉强会检查到。a2[10];a2[20] ;//但对于越界访问读，基本不会检查出来。wyn::array<int> a1;//array有可能和std命名空间里面的array冲突，所以我们自己定义一个命名空间for (size_t i = 0; i < N; i++){a1[i] = i;//等价于 a1.operator[](i)=i;}for (size_t i = 0; i < N; i++){a1[i]++;}for (size_t i = 0; i < N; i++){cout << a1[i] << " ";}cout << endl;return 0;
}

3.类模板能否声明和定义分离？

1.
首先明确一点，类模板是不允许声明和定义分离的，因为这会发生链接错误。

2.
其实原因很简单，因为在用的地方类模板的确进行了实例化，可是用的地方只有声明没有定义，而定义的地方又没有进行实例化，所以就会发生链接错误。

3.
说白了就是Stack.cpp里面的类模板由于没有实例化，那就是没有真正的类，所以类中成员函数的地址无法进入符号表，那么在链接阶段，Test.cpp就无法链接到类成员函数的有效地址。

4.
解决方式有两种：
a.既然在Stack.cpp里面类模板没有实例化么，那我们就手动在Stack.cpp里面进行实例化就好了，但是这样也有一个弊端，只要类模板参数类型改变，我们手动实例化时就需要多加一行，这未免有些太繁琐了吧！

b.
所以最好的方式就是不要将类成员函数定义和声明分文件存放，而是将类模板中的成员函数直接放在.h文件里面。这样就不会出现找不到有效地址的问题了，因为一旦Test.cpp中进行了模板实例化，则.h文件中的那些方法也就会实例化，此时他们的地址就会进入符号表。也有人会将.h文件重命名为.hpp文件，这就是典型的模板类的声明和定义方式。

template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)//声明处写了缺省值，定义处就不用写了。
{cout << "Stack(int capacity = )" << capacity << endl;_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);if (_a == nullptr){perror("malloc fail");exit(-1);}_top = 0;_capacity = capacity;
}template<class T>
Stack<T>::~Stack()
{cout << "~Stack()" << endl;free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;
}template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{// ....// _a[_top++] = x;
}

四、STL简介

1.什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

2.STL的版本

原始版本：
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。
P. J. 版本：
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。
RW版本：
由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
SGI版本：
由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程 风格上看，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。

3.STL的六大组件

STL的六大组件（转载自博客园博主WELEN的文章）