C++ 模板

W_XiangYu2024-08-22 2:34

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一.泛型编程

想要实现一个通用的函数，就我们目前的知识而言，只能如下面程序，使用函数重载。

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;
} 
......

但是这样使用有几个缺点：

• 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率低，只要有新类型出现，就需要重新增加相对应的函数。

• 代码的可维护性差，一个出错可能所有的重载均出错。

因此，在C++中，我们引入了模板 这个概念，我们可以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。

模板就如同一个模具 ，通过给这个模具中添加不同的材料（类型） ，我们能够获得不同材料的铸件（生成具体类型的代码）。

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

函数模板 就如同一个定制好的模具，可以由它生成不同类型的函数 。该函数模板与类型无关，只有在使用时才被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

1.函数模板格式：

template 模板参数列表：
（1） template<typename T1, typename T2,...,typename Tn>
（2） template<class T1, class T2,...,class Tn>
（3） template<class T1, typename T2,...,>

模板参数列表：<class 类型1, class 类型2, ...>
函数参数列表：(类型 变量1，类型 变量2， ...)

对于模板参数列表，我们可以类比函数参数列表来理解。

cpp 复制代码 
template<typename T>
//返回值类型 函数名(参数列表)
//{
//
//}
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

2.函数模板原理：

函数模板本身并不是函数，而是编译器接收到我们传输的具体类型后生成特定函数的模具。因此模板是将原本我们应该重复做的事情交给了编译器。

3.函数模板实例化：

用不同类型的参数使用函数模板

模板实例化分为：隐式实例化和显式实例化

（1）隐式实例化：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);  
	Add(d1, d2);
	
	return 0;
}

上述情况无法通过编译，因为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。

因此我们需要将强制转换或者使用显示实例化。

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, d1);
	// 1.强制转化
	Add(a1, (int)d1);
	// 2.显示实例化
	Add<int>(a1, a2);

	return 0;
}

（2）显示实例化：函数名 <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(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

4.参数的匹配原则：

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。

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;
} v
oid 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
}**

三.类模板

1.类模板格式：

cpp 复制代码 
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	// 类内成员定义
};
cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
	public :
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

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。

cpp 复制代码 
// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double

四.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。

cpp 复制代码 
//定义一个栈
template<class T, size_t N>
class Stack
{
private:
	T _arr[N];
	T _top;
	size_t _size;
};
int main()
{
	Stack<int, 5> s1;
	Stack<int, 10> s2;

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#define N  10
template<class T>
class Stack
{
private:
	T _arr[N];
	T _top;
	size_t _size;
};
int main()
{
	Stack s1; // 10
	Stack s2; // 10

	return 0;
}

这种程序原先可以用宏实现，但宏实现的参数不可变 ，而使用非类型模板参数，参数可变。

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。
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

五.模板的特化

1.特化的原因：

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，需要特殊处理。

cpp 复制代码 
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
} 
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确

	Date d1(2022, 7, 12);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确

	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误

	return 0;
}

p1指向的d1显然大于p2指向的d2，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而是比较了p1和p2指针的地址

此时，就需要对模板进行特化 。在原模版类的基础上，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

2.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. 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同

cpp 复制代码 
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
} 
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date * left, Date * right)
{
	return *left < *right;
} 

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;

	Date d1(2022, 7, 12);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl;

	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
	return 0;
}

3.类模板特化：

（1）全特化：

将模板参数列表中所有的参数都确定化

cpp 复制代码 
template<class T1, class T2>  // 类模板
class Data
{
public :
	Data() 
	{ 
		cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char> // 全特化，参数全部特化
{
public :
	Data() 
	{ 
		cout << "Data<int, char>" << endl; 
	}
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}

（2）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
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

大致可以理解为，将参数类型写为特定的类型。

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

•： 部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化

cpp 复制代码 
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

cpp 复制代码 
//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); // 调用特化的引用版本
}

六.模板的分类编译

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：

cpp 复制代码 
// 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;
}

C++程序运行，需要经过：

预处理 ------> 编译 ------> 汇编 ------> 链接

编译：对程序进行词法、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码。（头文件不参与便于，且编译器对多个文件是分离开单独编译的）

链接：将多个obj文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题

解决方法：

1.将声明和定义放到一个文件。 （推荐使用）
2.模板定义的位置显示实例化。 （不推荐）

七.模板的优缺点

优点：

  1. 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

  2. 增强了代码的灵活性

缺点：

  1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

  2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

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