C++模板使用

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前言

一、交换函数(泛型编程)

二、函数模板

[2.1 函数模板概念](#2.1 函数模板概念)

2.2函数模板格式

2.3使用方法

[2.4 函数模板的原理](#2.4 函数模板的原理)

2.4.1库中的swap

[2.5 函数模板的实例化](#2.5 函数模板的实例化)

[2.6 模板参数的匹配原则](#2.6 模板参数的匹配原则)

三、类模板

[3.1 类模板的定义格式](#3.1 类模板的定义格式)

3.2类模板声明和定义分离

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前言

C语言阶段要实现不同类型的交换函数swap，需要重复写很多代码，需要造很多的轮子。为了提高程序员写代码的效率，C++出现了泛型编程的概念，模板应运而生。

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一、交换函数(泛型编程)

如何实现一个通用的交换函数呢？

void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

void Swap(double& left, double& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

void Swap(char& left, char& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
//.......

要进行不同类型的交换需要写多个函数。

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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板，让编译器根据不同的类型利用该模板来生成代码呢 ？

如果在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材料(类型) ，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码） ，那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。
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。

二、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>
返回值类型 函数名(参数列表){}

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

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使用方法

下面的Swap使用的是否为同一个？

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 0;
	Swap(a, b);
	double c = 1.1, d = 2.2;
	Swap(c, d);
	int* p1 = &a, * p2 = &b;
	Swap(p1, p2);
	return 0;
}

不要被调试欺骗了，实际上它们调用的不是同一个函数，而是不同的三个函数。这是编译器自动生成的。类型不一样，开辟的大小也不一样，这是编译器造成的假象。

通过汇编观察：

调用的函数地址不相同，所以不是一个函数。

那么模板的原理是什么？

2.4 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。

这个叫做函数模板的实例化。生成一个函数。

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。

实际过程没有变，只是编译器帮助我们去写。

2.4.1库中的swap

在C语言阶段我们要交换函数swap需要自己写，而在C++阶段，由于swap使用的频繁，使用C++直接将swap纳入库中，库中的swap就是模板写的：

以后C++中调用库的std就可以了。

2.5 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。

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

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double b1 = 10.2, b2 = 20.2;
	Add(a1, a2);
	Add(b1, b2);
    /*
    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, b1);
    */
	return 0;
}

像Add(a1,b1);这样编译器不知道该怎么推演。此处有种处理方式：1.用户自己来强制转化 2.使用显示实例化。

Add(a1, (int)b1);

也可以像下面这样：

下面这样就不会有问题，使用auto接收返回值的类型。

template<class T1,class T2>
auto Add(const T1& left, const T2& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double b1 = 10.2, b2 = 20.2;
	Add(a1, a2);
	Add(b1, b2);
	Add(a1, b1);
	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

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。

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

有一种情况必须进行显示实例化：

template<class T>
T* func(int a)
{
    //返回一个T的空间
    T* p = (T*)operator new(sizeof(T));
    return p;
}

int main()
{
    //只能进行显示实例化
    int* ret = func<int>(1);
    return 0;
}

2.6 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

// 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;
}
template<class T1,class T2>
auto Add(const T1& left, const T2& 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(T)版本
	Add(2, 3.1); //调用模板Add(T1,T2)版本
	Add<double, int>(3.1, 2);//调用编译器特化的Add(T1,T2)版本
}

结果：

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

// 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 
}

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

匹配：

1.都有的情况，优先匹配普通函数+参数匹配(成品+口味对)。

2.没有普通函数，优先匹配参数匹配+函数模版(成品+口味对)。

3.只有一个，类型转换一下也能用，也可以匹配调用(口味不对，将就一下也行)。

三、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
};

模板在C++中更多应用类模板。

如果不用模板，我们想要使用俩个不一样的栈stack存储俩个不同类型的数据 时，使用typedef对类型进行更名，只能对一个类型使用。

typedef int T;
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	void Push(const T& data)
	{
		//扩容
		_array[_size] = data;
		++_size;
	}
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

int main()
{
	Stack st1;//int
	Stack st2;//double
	return 0;
}

C语言做不到，要做到只能写俩个类。所以使用模板节省了很多代码量。

// 类模版
template<class T>
class Stack
{
// 代码....
}

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。

	Stack<int> st1;//int
	Stack<double> st2;//double

模板是写给编译器的。这俩个栈的类型不一样。是俩个不同的类实例化的对象。

3.2类模板声明和定义分离

模板的声明和定义分离最好不要分文件到.h 和 .cpp 。因为会出很多链接错误。

// 类模版
template<class T>
class Stack
{
public:
	//。。。。
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
//在同一个文件中
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& date)
{
	//扩容
	_array[_size];
	++_size;
}

全部放在类中，也不用担心内联问题，因为内联只是给编辑器的建议，要经过编辑器的允许才能是内联。

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