C++ 模板入门详解

[0. 模板引入](#0. 模板引入)

1.函数模板

[1. 函数重载的缺点](#1. 函数重载的缺点)

[2. 函数模板的概念和格式](#2. 函数模板的概念和格式)

[2. 函数模板的实例化](#2. 函数模板的实例化)

[2.1 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型](#2.1 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型)

[2.2 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型](#2.2 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型)

[2.3 函数模板参数的匹配规则](#2.3 函数模板参数的匹配规则)

3.类模板

[3.1 类模板的定义与使用](#3.1 类模板的定义与使用)

[3.2 类模板实例化](#3.2 类模板实例化)

0. 模板引入

生活中经常会遇到使用模板的例子，例如利用不同的模具做出一个一个个好看的月饼，同时做月饼

的效率也得到了很大的提高。那我们在编程的时候可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？刚好在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同的类型，来生成具体类型的代码。这也是我们提出的泛型编程，泛型编程即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。

1.函数模板

1. 函数重载的缺点

例如，我们想实现一个通用的交换函数，可以实现多种类型元素的交换，我们首先就能够想到函数重载，代码如下：

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;
}

如果有新的类型需要我们完成交换，我们又需要增加对应的函数，重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，同时代码可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

如果我们可以使用模板，就只需要告诉编译器一个模子，编译器利用该模子根据不同的类型来生成代码。所以接下来我们就开始介绍我们的函数模板吧！

2. 函数模板的概念和格式

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。其格式为：template<typename T1,typename T1,...typename Tn>

//template 函数名(参数列表){}
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

其中，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)

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。

2. 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：隐式实例化和显式实例化。

2.1 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

例如：

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

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 15.0, d2 = 25.0;
	
	cout << (Add(a1, a2)) << endl;
	cout << (Add(d1, d2)) << endl;
	return 0;
}

那么如果我们这样使用模板呢:

我们发现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。

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(a, (int)d);//强制转化

2.2 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

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
	cout << (Add<int>(a, b)) << endl;
	return 0;
}

2.3 函数模板参数的匹配规则

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。

// 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
}

最后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 类模板的定义与使用

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
};

我们以动态顺序表举例：

// 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();
	
	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;