C++模版初阶

目录

一、泛型编程

二、模板

[1 函数模板](#1 函数模板)

[1.1 函数模板的概念](#1.1 函数模板的概念)

[1.2 函数模板格式](#1.2 函数模板格式)

[1.3 函数模版的原理](#1.3 函数模版的原理)

[1.4 函数模板的实例化](#1.4 函数模板的实例化)

[1.5 模板参数的匹配原则](#1.5 模板参数的匹配原则)

[2 类模板](#2 类模板)

---

一、泛型编程

如何我们想要实现一个通用的交换函数，如何实现呢？

如果没有泛型编程的概念，我们用C++可能会这样写：

#include<iostream>
using namespace std;
void Swap(int& left, int& right)
{
    double 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)
{
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
int main()
{
    int a = 0, b = 1;
    Swap(a, b);
    double c = 1.3, d = 1.4;
    Swap(c, d);
	return 0;
}

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具，让编译器根据不同的类型利用该模具来生成代码呢？

所以，C++就产生了一个模板，它就类似一个模具。 同时，也就有了泛型编程的概念。

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、模板

模板包括函数模板和类模板。

1 函数模板

1.1 函数模板的概念

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。

1.2 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){}

例如：

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)。

1.3 函数模版的原理

假设有如下代码：

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
int main()
{
    int a = 1, b = 2;
    double c = 2.12, d = 1.23;
    Swap(a, b);
    Swap(c, d);
    return 0;
}

这里我们在调用Swap函数，它们其实不是调用的同一个。

我们这里写的Swap，它本质是一个模板，不是函数。这个模板会自动去生成对应的函数。当我们调用函数时，调用的其实是由这个函数模版对应生成的函数（即：函数模版是不能调用的，调用的其实是函数模版实例化生成的对应类型的函数）。

在编译器编译阶段（其实在预处理阶段就做了），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。

我们通过查看汇编代码就可以证明上面的结论。

因此，模板的原理就是：如果我们写了模板，编译器会通过模板实例化出对应的函数或类。

1.4 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。

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 d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    Add(a1, a2);
    Add(d1, d2);
    
    /*
    Add(a1, d1);
    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
    */
    
    // 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
    Add(a, (int)d);

    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。

1.5 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。

// 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。

 // 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
     return 0;
 }

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。

2 类模板

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
};    

这里简易实现一下 vector （它其实就是顺序表）的一部分成员函数与运算符重载，来讲解一些知识。

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<assert.h>
using namespace std;

template<class T>
class Vector //动态增长的数组
{
public:
    Vector()
        :_a(nullptr)
        ,_size(0)
        ,_capacity(0)
    {}
    ~Vector()
    {
        delete[] _a;
        _a = nullptr;
        _size = _capacity = 0;
    }

    //类里面声明
    void push_back(const T& x);
    void pop_back();
    size_t size()
    {
        return _size;
    }
    
    //传引用返回
    T& operator[](size_t i)
    {
        assert(i < _size);
        return _a[i];
    }
private:
    T* _a;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
};

//类外面定义
template<class T>
//void Vector<T>::push_back(T x);//因为不知道传进来的T到底是什么类型，如果是值传递，此时这里就会拷贝构造。
void Vector<T>::push_back(const T& x)//而如果是传引用就会减少拷贝，提高效率。
{
    if (_size == _capacity)
    {
        int newcapacity = _capacity == 0 ? 2 : _capacity * 2;
        T* tmp = new T[newcapacity];
        if (_a)
        {
            memcpy(tmp, _a, sizeof(T) * _size);
            delete[] _a;
        }
        _a = tmp;
        _capacity = newcapacity;
    }
    _a[_size++] = x;
}

template<class T>
void Vector<T>::pop_back()
{
    assert(_size > 0);
    _size--;
}

 int main()
{
     // Vector是类名，Vector<int>才是类型
     Vector<int> v;
     v.push_back(1);
     v.push_back(2);
     v.push_back(3);
     v.push_back(4);
     v.push_back(5);

     for (int i = 0; i < v.size(); i++)
     {
         cout << v[i] << " ";
     }
     cout << endl;
     for (int i = 0; i < v.size(); i++)
     {
         v[i] *= 2;
         cout << v[i] << " ";
     }
    
     cout << endl;
    return 0;
}

从上面的代码可以看到：

1. 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。

2. 类模板中函数放在类外面进行定义时，需要加模板参数列表；

3. 上面的 v[i] ，其实是通过重载 [] 实现的（ 即：v[i] 等价于 v.operator[](i) ），如果不是传引用返回，而是传值返回，则无法修改 对象 v 里面的值。因为此时该函数返回的是一个临时对象，具有常性，就没法修改。而如果是传引用返回，返回的对象就是 _a[i] 的别名，此时若要修改，则直接修改的就是 _a[i] 。

3. 所以，我们可以得到：

引用传参的作用：修改传递的实参（如swap）与 减少拷贝；

引用传返回值的作用：修改返回对象（如operator[]）与 减少拷贝。