【C++】模板初阶：泛型编程的起点

大耳朵土土垚2024-05-05 19:19

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目录

在C++中模板可以分为函数模板和类模板：

在学习模板之前我们先要了解一下什么是泛型编程

1.泛型编程

泛型编程是一种编程范式，它允许在编写代码时使用一种通用的数据类型或算法，以便在不同的数据类型上进行操作，而不需要为每种数据类型编写专门的代码。泛型编程的目标是提高代码的重用性和可扩展性。

简单来说，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。

在C++中，使用函数模板 、类模板和STL（标准模板库）等机制来实现泛型编程。其他编程语言如Java和C#也提供了类似的泛型编程机制。通过使用泛型编程，开发人员可以更高效地编写通用的、可重用的代码，并提高程序的效率和可维护性。

例如下面的代码：

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;
}

上述代码都是实现交换两个变量的内容，只是因为变量的类型不同所以需要不同的函数，这样代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数，这时我们就可以利用C++的函数模板来实现一个不同类型通用的交换函数；

2.函数模板

2.1概念

✨函数模板是一种在编写代码时可以重复使用 的代码片段，可以用于定义通用的函数结构。函数模板是一种泛型编程的工具，允许我们在不同的数据类型上实现相同的操作逻辑。

例如：

我们需要不同材料的铸件，只需要在一个模具里倒入不同的材料即可，模板就类似于这个模具，与类型无关，在使用时被参数化，并根据实参类型产生函数的特定类型版本。

2.2格式

函数模板的语法如下所示：

cpp 复制代码 
//单个模板参数
template <typename T>
返回类型 函数名(参数列表)
{
    // 函数体
}


//多个模板参数
template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回类型 函数名(参数列表)
{
    // 函数体
}

其中， typename是用来定义模板参数关键字 ，也可以使用class(但不能使用struct代替class)，typename T表示模板参数列表，T可以是任意类型；返回类型可以是任意类型，参数列表可以是任意参数。

我们可以看到下面的代码：

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;
}

上述函数重载的交换函数就可以利用函数模板实现通用的交换函数：

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

2.3函数模板原理

✨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。

✨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。

如下图所示：

✨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，减少了人力的耗费。

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);	//根据a1，a2推演模板参数为int类型，生成该类型函数
	Add(d1, d2);	//根据d1，d2推演模板参数为double类型，生成该类型函数
}

这里有下面这种情况：

cpp 复制代码 
Add(a1, d1);	//两个参数类型不同，编译器无法根据实参推演模板参数类型

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；

此时有两种处理方式：

  • 用户自己来强制转化 ：
cpp 复制代码 
Add(a1, (int)d1);

将d1强制类型转换为int类型；

  • 使用显式实例化

✨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 
int main(void)
{
 int a = 10;
 double b = 20.0;
 
 // 显式实例化
 Add<int>(a, b);
 return 0;
}

这样不管后面的形参时什么类型，编译器都会实例化为int类型的Add函数；

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；

例如：

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;
}
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
}

✨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。

例如：

cpp 复制代码 
// 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
}

✨ 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. 类模板

3.1概念

类模板是一种通用的类定义，可以实例化为多个具体的类 。类模板中可以包含通用的成员变量 、成员函数 和成员类型 。通过类模板，可以定义出与类型无关的通用类，使得代码可以复用，同时也能满足不同类型的需求。

3.2格式

类模板的定义一般使用关键字template，后跟模板参数列表。模板参数可以是类型参数、非类型参数或模板参数。通过使用模板参数，类模板可以接受不同类型的参数 ，从而生成不同的具体类。

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

例如顺序表，我们如果需要几个存放不同的数据类型的顺序表就可以利用类模板，从而不需要多次定义类：

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;	//不同数据类型
	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;
}

上述类模板中T* _pData; ，通过类模板实例化编译器就可以生成存放不同类型数据的顺序表；此外我们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>，例如上述的析构函数；

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(类似于函数的显示实例化)；

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

4.结语

✨使用C++模板，可以定义函数模板和类模板。函数模板是一种通用的函数定义，可以用于处理多种类型的输入参数。例如，可以编写一个通用的排序函数模板，可以用于排序整数、浮点数、字符等类型的数据。

✨类模板是一种通用的类定义，它可以用于创建具有相似结构和行为的多种类对象。例如，可以编写一个通用的容器类模板，可以用于存储不同类型的数据。

✨C++中的模板是一种强大的机制，可以实现泛型编程，提高代码的可重用性和灵活性。它是C++中重要且常用的特性之一。

以上就是C++模板初级的所有内容啦~ 完结撒花 ~🥳🎉🎉

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