【C++】—— 模版初阶

9毫米的幻想2024-08-29 11:13

【C++】------ 模版初阶

  • [1 泛型编程](#1 泛型编程)
  • [2 函数模板](#2 函数模板)
    • [2.1 函数模板基础用法](#2.1 函数模板基础用法)
    • [2.2 模板的实例化](#2.2 模板的实例化)
      • [2.2.1 隐式实例化（推导实例化）](#2.2.1 隐式实例化（推导实例化）)
      • [2.2.2 显式实例化](#2.2.2 显式实例化)
    • 2.3、函数模板的原理
    • 2.4、模板参数的匹配原则
  • [3 类模板](#3 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 实现栈类模板](#3.2 实现栈类模板)
    • [3.3 类模板为何优于 typedef](#3.3 类模板为何优于 typedef)
    • [3.4 类模板的实例化](#3.4 类模板的实例化)
    • [3.5 类模板的声明与定义分离](#3.5 类模板的声明与定义分离)

1 泛型编程

类型的交换函数该怎么做？我们只能每一种类型都写一个，同时每个函数名都不能相同，无疑是非常繁琐的。C++中引入了函数重载 ，支持函数可以同名。

像这样:

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;
} 

//......

C++ 有了函数重载比 C语言 方便多了，但还是有不足。如果还要进行其他类型，如 c h a r char char 类型的交换，那岂不是还要写一个函数？那多麻烦呀

函数重载的缺点：

  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

那是否能告诉编译器一个模板，让编译器照着这个模板自己生成类似的函数呢？

就像活字印刷一样，一印一个准

为此，C++ 引入了模板的概念，并依次延伸出了泛型编程的思想

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。

模板分为两类：函数模板 与类模板

2 函数模板

2.1 函数模板基础用法

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。

函数模板格式：

  • t e m p l a t e template template < c l a s s class class 类型1, c l a s s class class 类型2,..., c l a s s class class 类型n>
  • 返回值类型 函数名(参数列表) { }

注： c l a s s class class 是用来定义模板参数的关键字，也可以用 t y p e n a m e typename typename (不能用 s t r u c t struct struct 代替 c l a s s class class)。 c l a s s class class 和 t y p e n a m e typename typename 也可以混着用（正常人都不这么干）

只看概念，往往比较抽象，我们来实践实现一个函数模板

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

T（ t y p e type type）表示的是类型 ，当然，并一定非要用 T 来表示，也可以是 K 等其他字母。

那 T 到底是什么类型呢？不知道，要看实例化

我们来学习模板可以用函数的参数列表来类比:

  • 函数参数列表（类型变量1，类型变量2， ···，类型变量n）
  • 模板参数列表<calss 类型1，calss 类型2，···，calss 类型n>

两个类型的模板：

cpp 复制代码 
template<class T1, class T2>
void func(const T1& x, const T2& y)
{
	;
}

2.2 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

模板的实例化又分为隐式实例化和显式实例化

2.2.1 隐式实例化（推导实例化）

隐式实例化 ：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

我们直接来看实例化代码：
模板：

cpp 复制代码 
template<class T>
T Add(T x, T y)
{
	return x + y;
}
cpp 复制代码 
int main()
{
	int a1 = 10, b1 = 5;
	double a2 = 6.0, b2 = 8.0;

	cout << Add(a1, b1) << endl;
	cout << Add(a2, b2) << endl;

	return 0;
}

运行结果：

我们发现隐式的调用和正常函数的调用一模一样。

编译器根据传递的两个实参 a a a， b b b 都是 i n t int int 类型，推断出模板中的 T 是int，实例化相应函数。

那下面这样行不行呢？

cpp 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 5.0;

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

肯定是不行的

在编译期间，编译器实例化时，需要推演其实参类型

通过 a a a 将 T 推演为 i n t int int，通过 b b b 将 T 推演为 d o u b l e double double

但模板中只有一种类型 T

编译器此时无法将 T 确定为 i n t int int 还是 d o u b l e double double 而报错

注：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转换出问题，第一个背锅的就是编译器。、

此时有两种解决方法：

  1. 使用显式实例化
  2. 用户自己强制转化
cpp 复制代码 
//强制转化	
Add(a, (int)b);
Add((double)a, b);

2.2.2 显式实例化

显式实例化 ：在函数名后的<>指定模板参数的实际类型

cpp 复制代码 
int main()
{
	int a1 = 10, b1 = 5;
	double a2 = 6.0, b2 = 8.0;

	cout << Add<int>(a1, b1) << endl;
	cout << Add<double>(a2, b2) << endl;

	return 0;
}

那显式实例化能传递两个不同类型吗？

可以的

cpp 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 5.0;

	//显式实例化传递不同类型
	cout << Add<int>(a, b) << endl;
	return 0;
}

这里， d o u b l e double double 进行隐式类型转换，转换成 i n t int int 类型

当然，这里他们能够发生类型转换是因为他们的类型相近，都是用来表示数据大小。像是指针这种就不能发生隐式类型转换。

目前我们接触到达到的能发生隐式类型转换的就两类

  1. 浮点型和整型之间
  2. 自定义类型单参数/多参数构造函数

注： 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。

当然，这里更加推荐的是另写一个 可以传递两个类型 A d d Add Add函数模板。

有些情况是通过推导式推导不出参数类型的，必须显式实例化

cpp 复制代码 
template<class T>
T* func(int n)
{
	return new T[n];
}

这时，编译器是不可能推导出你的返回类型的，必须显式实例化

cpp 复制代码 
int* p1 = func1<int>(10);

2.3、函数模板的原理

函数模板的原理是什么呢？

模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器根据使用方式产生特定函数的模具

以前，我们想要实现不同类型的 S w a p Swap Swap 函数，要自己吭哧吭哧地去敲。现在，有了模板，编译器帮你生成了。

模板其实就是将本来应该我们做的重复的事情交给编译器来做

在编译阶段，编译器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 d o u b l e double 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 d o u b l e double double 类型，然后产生一份专门处理 d o u b l e double double 类型的代码，对于其他类型也是如此。

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

int main()
{
	int a1 = 10, b1 = 5;
	double a2 = 6.0, b2 = 8.0;

	Swap<int>(a1, b1);
	Swap<double>(a2, b2);

	return 0;
}

像是Swap<int>(a1, b1)和Swap<double>(a2, b2)，他们调用的是同一个函数吗？

我们通过底层汇编指令来看看

可以看得到call指令跳转的地址是不一样的，说明他们调用的不是同一个函数

2.4、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，而且该函数模板可以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;
}

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
}

  1. 对于非模板函数和函数模板，如果其他条件相同，会优先调用非模板函数而不会从模板函数产生出一个实例。如果模板函数可以才产生一个具有更好匹配的函数，那么选择模板

相同条件下，有现成的我为什么还做要二次加工的东西呢?

cpp 复制代码 
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return (left + right) * 10;
}

// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	// 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) << 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函
	cout << Add(1, 2.0) << endl;
	return 0;
}

运行结果：

  1. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以自动类型转换

3 类模板

3.1 类模板的定义格式

t e m p l a t e template template< c l a s s class class T1， c l a s s class class T2，···， c l a s s class class Tn>
c l a s s class class  类模板名

{

// ···

}

类模板的定义格式可以类比函数模板，这里不再过多解释

3.2 实现栈类模板

我们实现一个栈类模板来感受一下

cpp 复制代码 
template<class T>
class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		, _capacity(n)
		,_size(0)
	{}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

	//传参尽量引用，不改变尽量加const
	//T有可能是自定义类型
	void Push(const T& x)
	{
		//扩容
		//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容
		if (_size == _capacity)
		{
			T* tmp = new T[2 * _capacity];
			memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
			delete[] _array;
			
			_array = tmp;
			_capacity *= 2;
		}

		_array[_size++] = x;
	}

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

3.3 类模板为何优于 typedef

现在有一个问题：实现类模板与之前 t y p e d e f typedef typedef 有什么区别呢？

如果我要在同一个层，一个栈中存 i n t int int 类型，一个栈存 d o u b l e double double 类型，那么只有类模板能做到

cpp 复制代码 
int main()
{
	Stack t1;//存int
	Stack t2;//存double

	return 0;
}

3.4 类模板的实例化

类模板 只能显式实例化

为什么呢？编译器：要不你来推导推导 T 是什么

类模板的显式实例化

cpp 复制代码 
int main()
{
	Stack<int> st1;
	st1.Push(1);
	
	Stack<double> st2;
	st2.Push(1.1);

	return 0;
}

实例化后 s t 1 st1 st1 与 s t 2 st2 st2 不是同一个类型

本质上，如果我们自己写也是不同的类。

现在只是这些类很相似，编译器默默承担了这一切而已

类模板与函数模板的原理是一样

3.5 类模板的声明与定义分离

类模板成员函数声明与定义分离这样可以吗？

cpp 复制代码 
template<class T>
class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		, _capacity(n)
		,_size(0)
	{}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

	void Push(const T& x);
	

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};


void Stack::Push(const T& x)
{
	//扩容
	//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容
	if (_size == _capacity)
	{
		T* tmp = new T[2 * _capacity];
		memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
		delete[] _array;

		_array = tmp;
		_capacity *= 2;
	}

	_array[_size++] = x;
}

是不行的，因为template<class T>定义的模板 只能给当前的模板用

我们要在类外定义的成员函数前再定义模板，并且指定类域

cpp 复制代码 
template<class T>
class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int n = 4)
		:_array(new T[n])
		, _capacity(n)
		,_size(0)
	{}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

	void Push(const T& x);
	

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	//扩容
	//C++中没有renew的函数，需要自己实现扩容
	if (_size == _capacity)
	{
		T* tmp = new T[2 * _capacity];
		memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * _size);
		delete[] _array;

		_array = tmp;
		_capacity *= 2;
	}

	_array[_size++] = x;
}

P u s h Push Push 函数的 T 可全部换成其他标识，如：X。因为具体实例化后 T 是一个具体的类型，实例化能匹配上就可以了，它不管当前的模板是 T 还是 X

cpp 复制代码 
template<class X>
void Stack<X>::Push(const T& x)
{
	
	if (_size == _capacity)
	{
		X* tmp = new X[2 * _capacity];
		memcpy(tmp, _array, sizeof(X) * _size);
		delete[] _array;

		_array = tmp;
		_capacity *= 2;
	}

	_array[_size++] = x;
}

但最好别这么做，容易被打，最好和前文保持一致

注：类模板不建议声明和定义分离到两个文件 (.h 和 .cpp )，会出现链接错误

好啦，本期关于模版的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在C语言的学习路上一起进步！

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