【C++】模板初阶--函数模板，类模板详解

引言：

如何实现一个通用的交换函数呢？我们一般通用的代码如下：

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;
}

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

一.泛型编程

那问题来了，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？

就和下面的示例图一样：

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同

材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多麻烦的过程。但巧的是前人就发明了泛型编程达到了这样的效果。

定义：

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。

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二. 函数模板

概念：

函数模板是 C++ 中用来定义通用函数的一种方式，它不针对具体的数据类型，而是把类型作为一个参数（占位符），让编译器根据实际调用时传参的类型自动生成对应的函数。

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:

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

返回值类型 函数名(参数列表)

{

//函数体

}

template ------ 关键字，声明这是一个模板

<typename T> ------ 类型参数，T 是一个占位符，代表任意类型

typename 可以用 class 替换，效果一样

代码如下：（用函数模板实现了一个交换函数）

template<typename T>//T是一个虚拟类型，具体什么类型，得等实例化才能知道，所以也可以说它是任意类型
#include <iostream>
using namespace std;

// 交换两个变量的值
template <typename T>
void Swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int x = 10, y = 20;
         // 编译器自动生成 int
    cout <<Swap(x, y)<< endl;  // 输出：20 10
        // 编译器自动生成 double
    double p = 1.5, q = 2.5;  
    cout <<Swap(p, q)<< endl;  // 输出：2.5 1.5

    return 0;
}

虽然你写代码时只写了一个函数模板，但编译器会为每种不同的类型生成一个独立的、具体的函数

注意：template/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)

模板本身不是函数 ，只是"造函数的模具"；每用一种类型，编译器就生成一个独立的函数； 相同类型多次调用，复用的是同一个生成的函数 ，不是每次都重新生成不同类型调用，生成的是不同的函数

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函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。

所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

在编译器编译阶段 ，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。

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, d2);//报错
   Add(d1, a2);//报错
//解决方法：类型转换
   Add(a1, (int)d2);
   Add(d1, (double)a2);
   return 0;
}

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Add(a1, d1);

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**

2. 显式实例化：

在函数名后的<>中指定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(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

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

#include<iostream>
using namespace std;

int Add(int left, int right)
{
    return left + right;
}

template<class T>
T Add(T left, T right)
{
    return left + right;
}

int Test()
{
    int a = Add(1, 2);        
    int b = Add<int>(1, 2);   
    return a + b;              
}

int main()
{
    cout << Test() << endl;  
    return 0;
}

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
}

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

int Add(int a, int b) { return a + b; }           // 普通函数

template<class T>
T Add(T a, T b) { return a + b; }                 // 模板函数

int main() {
    int x = 10;
    double y = 20.5;

    Add(x, y);      //  普通函数：double 自动转成 int
    Add(x, y);      //  模板函数：类型不匹配（int 和 double），编译报错
    Add<int>(x, y); //  模板函数：显式指定 T = int，y 转成 int
}

三.类模板

概念：

类模板就是为了一类只有数据类型不同的类，只写一份通用的代码。程序员写好这个模板后，就能用它生成各种具体类型的类（这些生成的类就是模板的实例），不用重复写相似的代码，效率更高。

类模板的成员函数是用到才生成的。也就是说：

只有当你真正调用了某个成员函数，编译器才会去生成它的代码，如果某个成员函数在整个程序中从来没被调用过，编译器就不会管它

**模板参数的确定：**类模板成员函数的参数类型，由调用它的那个对象的类型决定。对象传进去的模板参数，就决定了成员函数的模板参数

注意：类模板里的所有成员函数，本质上都是函数模板。

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
};    

#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;
};
// 模版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，具体原因后面我会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
// 扩容
    _array[_size] = data;
    ++_size;
}
int main()
{
    Stack<int> st1;    // int
    Stack<double> st2; // double
    return 0;
}

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。

int main() {
    Stack<int> st1;      // Stack<int> 才是类型，st1 是 int 类型的栈
    Stack<double> st2;   // Stack<double> 才是类型，st2 是 double 类型的栈

也就是说，当你只写了类模板或函数模板的定义，但从未在代码中实例化它（即从未用具体类型去使用它），编译器不会去检查模板内部的语法是否正确。