C++模版

Xpccccc2023-12-02 19:09

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C++模版

1、泛型编程

  • 泛型编程（Generic Programming）是一种编程范式，它强调编写可以在不同数据类型上工作的通用代码。泛型编程的目标是编写更具通用性和复用性的代码，以减少代码的重复编写，并提高代码的可维护性。

    泛型编程的主要特点包括：

    1. 通用性： 泛型编程的代码不依赖于特定的数据类型，而是能够在多种不同数据类型上工作。这使得代码更具通用性。
    2. 类型参数化： 泛型编程通过参数化类型，允许在代码中使用参数化类型的变量、函数或类。这意味着你可以编写一次通用代码，然后在不同的上下文中使用不同的类型。
    3. 类型安全： 泛型编程强调类型安全，因为它在编译时进行类型检查，避免了运行时的类型错误。
    4. 代码复用： 泛型代码可以在不同的场景中重复使用，减少了代码的冗余。

    如何实现一个通用的交换函数呢 ?

    cpp 复制代码 
    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;
}

//......
int main() {
    int a = 1, b = 2;
    double c = 1.1, d = 2.2;
    Swap(a, b);
    Swap(c, d);
    return 0;
}

    使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

    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？

    答：C++里面有一种机制 --- 模版（函数模版和类模版）。

    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。

2、函数模版

2.1、函数模版概念

  • 函数模板（Function Template）是C++中的一种机制，允许你编写可以应用于不同数据类型的通用函数。函数模板允许你编写一次通用函数定义，然后可以将不同的数据类型作为参数传递给该函数，从而自动生成特定数据类型的函数实例。

    函数模板的基本概念包括：

    1. 通用性： 函数模板允许你编写通用函数，不限于特定数据类型。这使得代码更具通用性和复用性。
    2. 类型参数： 函数模板通过使用类型参数（通常用typename或class关键字指定）来表示可以应用于不同数据类型的函数。
    3. 实例化： 当你调用函数模板并传递特定数据类型时，编译器会根据传递的数据类型生成特定数据类型的函数实例。这个过程称为实例化。
    4. 类型推导： C++编译器通常能够从传递的参数==推断==出要使用的数据类型，从而实例化函数模板。

2.2、函数模版格式

  • 格式：template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

  • 举例：

    • 单参数函数模版

      cpp 复制代码 
      template<typename T>

void Swap(T &a, T &b) {
    T tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}

int main() {
    int a = 1, b = 2;
    double c = 1.1, d = 2.2;
    Swap(a, b);
    Swap(c, d);
    return 0;
}

    • 多参数函数模版

      cpp 复制代码 
      template<typename T1, class T2>

void Swap(T1 &a, T2 &b) {
    T1 tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}

int main() {
    int a = 1, b = 2;
    double c = 1.1, d = 2.2;
    Swap(a, b);
    Swap(c, d);
    Swap(a, c);
    return 0;
}

    • 注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class（切记：不能使用struct代替class）。

2.3、函数模版原理

  • 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。

  • 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，对于字符类型也是如此。

  • 注意：这三次调用的Swap不是同一个函数！

    • 我们vs转到反汇编来看函数地址

2.4、函数模版的实例化

使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。

    cpp 复制代码 
    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);//推导出a1，a2是int类型
    Add(d1, d2);//推导出d1，d2是double类型

    /*
    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
    //1. 用户自己来强制转化 （隐式实例化）
    int a = 1;
    double d = 2.1;
    Add(a, (int) d);

    //2. 使用显式实例化
    int b = 1;
    double c = 2.1;
    Add<int>(b, c);//这里c就被强转化为int类型
    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。

    cpp 复制代码 
    template<class T>

T Add(const T &left, const T &right) {
    return left + right;
}

int main() {
  	int b = 1;
    double c = 2.1;
    Add<double>(b, c);//这里b就被强转化为double类型
    return 0;
}

    • 函数参数里如果没有模版则需要显式实例化。

      cpp 复制代码 
      template<class T>

T Add(const int &left, const int &right) {
    T sum = left + right;
    return sum;
}

int main() {
    
    int b = 1;
    double c = 2.1;
    int a = Add<int>(b, c);//这里b就被强转化为double类型

    return 0;
}

    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。

2.5、模板参数的匹配原则

  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。

    cpp 复制代码 
    // 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;
}

int main() {
    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
    return 0;
}

  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。

    cpp 复制代码 
    // 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;
}

int main() {
    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
    return 0;
}

  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。

3、类模版

3.1、类模版概念

  • 类模板（Class Template）是C++中的一种机制，允许你定义通用类，其中的数据成员和成员函数可以适用于不同的数据类型。类模板允许你编写一次通用类定义，然后可以将不同的数据类型作为模板参数传递给该类，从而自动生成特定数据类型的类实例。

    类模板的基本概念包括：

    1. 通用性： 类模板允许你编写通用类，不限于特定数据类型。这使得代码更具通用性和复用性。
    2. 类型参数： 类模板通过使用类型参数（通常用typename或class关键字指定）来表示可以应用于不同数据类型的类。
    3. 实例化： 当你创建类模板的对象时，编译器会根据传递的数据类型生成特定数据类型的类实例。这个过程称为实例化。
    4. 类型推导： C++编译器通常能够从传递的参数==推断==出要使用的数据类型，从而实例化类模板。

3.2、类模版格式

  • 格式：

    cpp 复制代码 
    template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	 // 类内成员定义
};

  • 举例：

    cpp 复制代码 
    // 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;
}

class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

  • 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。

3.3、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。

    cpp 复制代码 
    // Vector是类名， Vector<类型>才是类型
int main() {
    Vector<int> it;
    Vector<Date> dt;
    return 0;
}

OKOK，C++模版就到这里。如果你对Linux和C++也感兴趣的话，可以看看我的主页哦。下面是我的github主页，里面记录了我的学习代码和leetcode的一些题的题解，有兴趣的可以看看。

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