C++之函数模板

文章目录

• 函数模板的定义

• 函数模板的实例化

• 模板参数

• • 模板参数的匹配问题
  • • 解决参数的匹配问题的方法
  • 模板函数的形参表

• 函数模板的特化

• 函数模板提供了一种通用的函数行为，该函数行为可以用多种不同的数据类型进行调用，编译器会根据调用类型自动将它实例化为具体数据类型的函数代码，也就是说函数模板代表了一个函数家族。与普通函数相比，函数模板中某些函数元素的数据类型是未确定的，这些元素的类型将在使用时被参数化；与重载函数相比，函数模板不需要程序员重复编写函数代码，它可以自动生成许多功能相同但参数和返回值类型不同的函数

函数模板的定义

template <typename T1, typename T2, ....>
    返回类型 函数名(参数表){
    ... ...
}

• template是模板定义的关键字； 写在<>中的T1 T2,...是模板参数，其中的typename表示其后的参数可以是任意类型的

#include <iostream>
using namespace std;
#if 0
int Min(int a, int b){
    return a<b?a:b;
}
float Min(float a, float b){
    return a<b?a:b;
}
double Min(double a, double b){
    return a<b?a:b;
}
char Min(char a, char b){
    return a<b?a:b;
}
#endif

template <typename T>
T Min(T a, T b){
    return a<b?a:b;
}
int main(void){
    int m=9, n=3;
    double d1=1.8, d2=3.4;
    cout << Min(m,n) << endl;
    cout << Min(d1, d2) << endl;
    return 0;
}

函数模板的实例化

• 当编译器遇到关键字template和跟随其后的参数定义时，它只是简单地知道这个函数模板在后面的程序代码中可能会用到。除此之外，编译器并不会做额外的工作。在这个阶段函数模板本身并不能使编译器产生任何代码，因为编译器此时并不知道函数模板要处理的具体数据类型，根本无法生成任何函数代码
• 当编译器遇到程序中对函数模板的调用时，它才会根据调用语句中实参的具体类型，确定模板参数的数据类型，并用此类型替换函数模板的模板参数，生成能够处理该类型的函数代码，即模板函数
• 可以执行以下命令观察

nm a.out | grep a.out

模板参数

模板参数的匹配问题

• C++在实例化函数模板的过程中，只是简单地将模板参数替换为实参的类型，并以此生成模板函数，不会进行参数类型的任何转换。这种方式与普通函数的参数处理有着极大的区别，以前在普通函数的调用过程中，会进行参数的自动类型转换
• 以上程序能够正确执行。现在使用函数模板来实现通用的功能，如下所示

#include <iostream>

using namespace std;

template <typename T>
T Max(T a, T b){
    return a>b?a:b;
}
int main(void){
    double a = 2, b = 3.4;
    float c = 1.1, d = 2.2;
    cout << "2, 3.4 的最大值是: " << Max(a,b) << endl;
    cout << "a, c的最大值是: " << Max(a,c) << endl;
    cout << "a, 100的最大值是: " << Max(a,100) << endl;
    return 0;
}

• 编译以上程序，产生模板参数不匹配的错误。产生这个错误的原因是模板实例化过程中不会进行任何的参数类型转换。编译器在翻译Max(a,c)时，由于实参类型为double和float，而Max函数模板只有一个形参类型T，总不能让T同时取double和float两种类型吧？要知道模板实例化过程中，C++不会进行任何形式的隐式类型转换，于是产生了上述编译错误

解决参数的匹配问题的方法

• 在模板调用时进行参数类型的强制转换

cout << "a, c的最大值是: " << Max(a,double(c)) << endl;

• 显示指定函数模板实例化的类型参数

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
T Max(T a, T b){
    return a>b?a:b;
}
int main(void){
    double a = 2, b = 3.4;
    float c = 1.1, d = 2.2;
    cout << "2, 3.4 的最大值是: " << Max(a,b) << endl;
    cout << "a, c的最大值是: " << Max<double>(a,c) << endl;
    cout << "a, 100的最大值是: " << Max<double>(a,100) << end;
    return 0;
}

• 指定多个模板参数
  • 在模板函数的调用过程中，为了避免出现一个模板参数与多个调用实参的类型冲突问题，可以为函数模板指定多个不同的类型参数

#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T1, typename T2>
T1 Max(T1 a, T2 b){
    return a>b?a:b;
}
int main(void){
    double a = 2, b = 3.4;
    float c = 1.1, d = 2.2;
    cout << "2, 3.4 的最大值是: " << Max(a,b) << endl;
    cout << "a, c的最大值是: " << Max(a,c) << endl;
    cout << "a, 100的最大值是: " << Max(a,100) << endl;
    return 0;
}

模板函数的形参表

• 不要误以为函数模板中的参数只能是类型形参，它也可以包括普通类型的参数

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数模板：包含类型形参 T + 普通类型参数 n（数组长度）
template <typename T>
void display(T &arr, unsigned int n){
    for(int i=0; i<n; i++){
        cout << arr[i] << "\t" ;
    }
    cout << endl;
}
int main(void){
    int a[] = {12,34,56,78,11,10,999};
    char b[] = {'x', 'y', 'z', 'n'};
    display(a, sizeof(a)/sizeof(a[0]));
    display(b, sizeof(b)/sizeof(b[0]));
    return 0;
}

函数模板的特化

• 在某些情况下，函数模板并不能生成处理特定数据类型的模板函数。上面例子中的Max函数模板可以计算int 或者 char类型数据的最大值，但对于字符串类型却是无能为力的
• 解决这类问题的方法就是对函数模板进行特化。所谓特化，就是针对模板不能处理的特殊数据类型，编写与模板同名的特殊函数专门处理这些数据类型。语法格式如下所示

template<>
返回类型 函数名<特化的数据类型>(参数表){
    ....
}

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
template <typename T>
T Min(T a, T b){
    return a < b ? a : b;
}
template <>
const char *Min(const char *a, const char *b){
    cout << "Min(const char *, const char *)" << endl;
    return (strcmp(a,b) > 0) ? b : a;
}
int main(void){
    int m=9, n=3;
    double d1=1.8, d2=3.4;
    cout << Min(m,n) << endl;
    cout << Min(d1, d2) << endl;
    cout << Min('a', 'b') << endl;
    cout << Min("aaa", "bbb") << endl;
    return 0;
}