霜刃与千面：C++模板的诗性解构

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;
}

要想交换两个数，面对不同的数据类型，我们要写不同的参数的swap函数，这两个swap函数构成重载，使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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
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？

这就有了泛型编程

二、函数模板

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

函数模板的格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

返回值类型函数名(参数列表){}

cpp 复制代码

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

（typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class）

函数模板的原理

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：

cpp 复制代码

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

对于字符类型也是如此。

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

隐式实例化：让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=1;int a2=2;
double b1=1.0;double b2=2.0;
int a3=Add(a1,a2);
double b3=Add(b1,b2);
return 0;
}

此时有一个问题，如果我这样调用函数呢

cpp 复制代码

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
 return left + right;
}
int main()
{
int a1=1;int a2=2;
double b1=1.0;double b2=2.0;
Add(a1,b2);

return 0;
}

a1和b2混调：

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

cpp 复制代码

 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

用户自己来强制转化

cpp 复制代码

Add(a, (int)d)

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

cpp 复制代码

int main()
{
 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。）

模板参数的匹配原则

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

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 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}

三、类模板

类模板的定义格式

cpp 复制代码

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};

类模板的实例化

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

 //Vector只是类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2

四、模板

4.1 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

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。

cpp 复制代码

template<class T1,class T2>  T1和T2都是类型形参
template<class T，size_t n=10>  T是类型形参,n是非类型形参

cpp 复制代码

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; 
}；

4.2 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，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

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, 7);
 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;
}

我们想要比较p1和p2指向的对象内容，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

必须要先有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
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。

cpp 复制代码

// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}

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

cpp 复制代码

bool Less(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}

cpp 复制代码

int main()
{

 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 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;
}

类模板特化

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>
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;  d2会去调特化
}

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

！：将模板参数特化为某一具体的类型

cpp 复制代码

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
 Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:
 T1 _d1;
 int _d2;
};

对参数更进一步的限制：对模板的参数再特化

！： 将模板参数特化为 关于T 的抽象的 类型

把T1 和 T2 特化为 T1* 和 T2* ...

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); // 调用特化的指针版本}

ps: 所有的特化都要在类名/函数名后加<>,<>中包含要特化的类型

总结

以上就是今天小编要讲的内容，本文简单介绍了模板的相关知识，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，同时也增强了代码的灵活性