C++：模板初阶（泛型编程、函数模板、类模板）

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1 泛型编程

所谓泛型，也就是通用型的意思。

在以往编写代码时，我们常常会需要实现两个数的交换（Swap函数），在C语言中，由于没有函数重载的概念，如果想实现不同类型数据的交换，就需要编写不同名但本质功能相同的函数；在C++中，则可以通过函数重载，编写同名的数据交换函数，虽然相比之下，函数重载避免了要取不同函数名的麻烦，但对于不同类型数据的交换仍需要单独编写函数，而重载的函数仅仅是类型不同，功能都是相似的，这样代码的复用率比较低，只要有新类型操作的需要，就得由用户自己增加对应的函数，且代码的可维护性比较低，一个出错，可能所有的重载均出错。

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;
}
......

在实际生产生活中，对于造型相同的产品，通常会使用模具等来进行生产。那是否也能提供给编译器一个模具，让编译器根据不同的类型利用该模具来生成代码呢？

基于此，C++中提出了泛型编程的概念：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。

其中，模板可以分为：

• 函数模板
• 类模板

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2 函数模板

2.1 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。

2.2 函数模板格式

template<typename T1, typename T2, ..., typename Tn> 或 template<class T1, class T2, ..., class Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}
注意：typename 是用来定义模板参数的关键字，也可以使用 class（但不能使用 struct 代替 class）

示例代码：

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

2.3 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器根据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。

说明：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：当以 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，对于其它类型也是如此。

2.4 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 显示实例化。

• 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板函数的实例类型
  示例代码：

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);/*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Add(a1, d1);*/// 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Add(a1, (int)d1);return 0;
}

• 显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型；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。
  示例代码：

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right){return left + right;
}int main(void){int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);return 0;
}

2.5 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

// 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
}

• 对于非模板函数和同名函数模板，如果其它条件都相同，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。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){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
}

• 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

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
};

示例代码：

// 动态顺序表
// 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;
}

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。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

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以上是我对C++中模板初阶相关知识的一些学习记录总结，如有错误，希望大家帮忙指正，也欢迎大家给予建议和讨论，谢谢！