【C++】C++中的template模板

一、泛型编程

关于模板的出现其实是在广大程序员编程中偷懒省下来的。我举个例子你们就知道了。

下述例子是用来实现swap函数的，利用的方式是最基础的重载。

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;
}

//等等

可以看到代码十分臃肿。一个swap要重载很多次才可以使用，十分的麻烦。重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数 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？

二、函数模板

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。

格式如下：

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名( 参数列表 ){}
上代码：
这一段代码比上面那么多行的代码都要好 ，是不是体会到他的方便了。

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

函数模板那么方便，那么它的原理是什么呢。
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。
通俗易懂的来讲，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。
当然，在使用函数模板的时候也要注意一些小细节，不然可能会导致出错。
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 。
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

#include <iostream>
using namespace std;

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
	cout << Add(a1, (int)d1);

	return 0;
}

2. 显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{
 int a = 10;
 double b = 20.0;
 
 // 显式实例化
 Add<int>(a, b);
 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。
那么模板参数的匹配原则是什么呢？

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

像这段代码就是可以的

#include <iostream>
using namespace std;

// 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
}

int main()
{
	Test();
	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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
using namespace std;
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	cout << "非模板" << endl;
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "模板" << endl;
	return left + right;
}
void Test()
{
	cout << Add(1, 2) << endl; // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	cout << Add(1, 2.0) << endl; // 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
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//非模板
//3
//模板
//3

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。比如我刚才那段注释一下那个模板函数也能体现出来。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
using namespace std;
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	cout << "非模板" << endl;
	return left + right;
}
// 通用加法函数
//template<class T1, class T2>
//T1 Add(T1 left, T2 right)
//{
//	cout << "模板" << endl;
//	return left + right;
//}
void Test()
{
	cout << Add(1, 2) << endl; // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	cout << Add(1, 2.0) << endl; // 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
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//非模板
//3
//非模板
//3

三、类模板

类模板的定义格式
与函数模板类似，都是懒人程序员省出来的代码：
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
}
举个代码例子：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cassert>
using namespace std;

// 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;
}

那么类模板如何实例化？
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。记住这一点，不然你创建不了对象了。

到此位置我们实际上已经了解了模板的使用方法。

但是我感觉篇幅太短，可以再给大家介绍一下，模板进阶。

四、模板进阶

1、非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参 。
类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 之类的参数类型名称 。
非类型形参：就是用一个常量作为类 ( 函数 ) 模板的一个参数，在类 ( 函数 ) 模板中可将该参数当成常量来使用 。

上代码：

	// 定义一个模板类型的静态数组
	template<class T, size_t N = 10>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }

	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

注意：

1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的 。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果 。

2、类模板的特化

通常情况下， 使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结 果 ，比如：

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

template<class T>
bool IsEqual(const T& left, const T& right)
{
	return left == right;
}
// 函数模板的特化 （针对某些类型的特殊化处理）
//bool IsEqual(const char* const & left,const char* const & right)
// 做这个bool IsEqual(const char* left, const char* right)的特化
// 是因为C++中对C风格字符串的处理与其他基本数据类型不同。
// C风格字符串是通过字符数组表示的，而在C++中，
// 数组名在大多数表达式中会被解释为指向其首元素的指针。
// 因此，如果你尝试使用通用模板函数IsEqual来比较两个C风格字符串，
// 它会比较两个指针的值，即它们的内存地址，而不是比较字符串的实际内容。
bool IsEqual(const char* left, const char* right)
{
	return strcmp(left, right) == 0;
}
int main()
{
	cout << IsEqual(1, 2) << endl;
	char p1[] = "hello";
	char p2[] = "hello";
	cout << IsEqual(p1, p2) << endl;;
	return 0;
}

此时，就 需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式 。模板特化中分为函数模板特化 与 类模板特化

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字 template 后面接一对空的尖括号 <>
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表 : 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

template<>
bool IsEqual<const char* const>(const char* const &left, const char* const &right)
{
 if (strcmp(left, right) > 0)
 return true;
 return false;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给 出。

bool IsEqual(char* left, char* right)
{
 if(strcmp(left, right) > 0)
 return true;
 
 return false;
}

类模板特化

全特化
全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
 T1 _d1;
 T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
 Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:
 int _d1;
 char _d2;
};
void TestVector()
{
 Data<int, int> d1;
 Data<int, char> d2;
}

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于以下模板类：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
 Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
 T1 _d1;
 T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表现方式：
部分特化
将模板参数类表中的一部分参数特化。

template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

参数更进一步的限制
偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
	}

private:
	const T1& _d1;
	const T2& _d2;
};
void test2()
{
	Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
	Data<int, double> d2; // 调用基础的模板 
	Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

**3、**模板分离编译

什么是分离编译
一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链
接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。
模板的分离编译
假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：
也称为多文件操作。
下面这段代码出错了。

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
// main.cpp
#include "a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);

	return 0;
}

分析：

解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用

五、总结

好处：模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生，增强了代码的灵活性。坏处：模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长，出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误。