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【C++初阶】想要编译器为你干活吗？来试试模板吧（模板初阶）

nagiY 2024-06-17 11:19:14

简介【C++初阶】想要编译器为你干活吗？来试试模板吧（模板初阶）

一.泛型编程

引入

我们之前都写过交换函数Swap，例如这样的：
//交换两个整型
void Swap(int*x1, int *x2)
{
	int tmp = *x1;
	*x1 = *x2;
	*x2 = tmp;

}
如果要交换其它的类型该怎么办呢？

那只能当个CV工程师了，然后再修修改改，但是如果有很多类型呢？后期又需要改动该怎么办呢？一个一个函数的改吗？多个功能相同的函数，又会使程序可读性降低，代码冗余。

我们能用一个具有交换函数逻辑的模具，来实现不同需求吗？

答案是可以，用模板就可以了。

模板

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

语法：template<class/typename 参数，class/typename 参数 .......>

注意：class 或是 typename 是用来定义模板参数的关键字，不可以使用 struct，并且可以定义多个模板参数。

模板分为两种：

1.函数模板

2.类模板

注意：类模板和模板类不是同一个概念（详见下文）

示例：Swap模板

template<typename T>   //这个模板的作用域是下面的一个大括号，当然也可以有多个模板参数
void Swap(T& x1, T& x2)  //注意这里要用引用
{
	T tmp = x1;
	x1 = x2;
	x2 = tmp;
}

二.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。

编译器由模板生成函数的过程称为实例化。

上文中的Swap模板就是一个函数模板。

隐式实例化

隐式实例化是指编译器根据实参自己推演参数的类型，并生成对应的函数；

以Swap函数模板为例：
template<typename T>
void Swap(T &x1, T &x2)
{
	T tmp = x1;
	x1 = x2;
	x2 = tmp;
}

int main()
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double b1= 5.2, b2 = 6.4;
	char c1 = 'a', c2 = 'e';
	Swap(a1, a2); cout << a1 << " " << a2 << endl;
	Swap(b1, b2); cout << b1 << " " << b2 << endl;
	Swap(c1, c2); cout << c1 << " " << c2 << endl;

	return 0;

}
即使它们用的是同一个模板，但他们调用的并不是同一个函数，从汇编中就可以看出来：

显式实例化

语法：函数名<类型>（实参1，实参2.....）

例：

template<typename T>
void Swap(T &x1, T &x2)
{
	T tmp = x1;
	x1 = x2;
	x2 = tmp;
}

int main()
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double b1= 5.2, b2 = 6.4;
	char c1 = 'a', c2 = 'e';
	Swap<int>(a1, a2);   //显式实例化
	return 0;

}

其实有的时候我们不得不显示实例化模板：

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；

例：
// 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

如下动图所示：

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。

三.类模板

定义格式

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

类模板的实例化

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，也就是要显式实例化；

注意：类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

例：
// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> s1;
Stack<double> s2;

类模板和模板类的区别

类模板

类模板是指定义一个通用的类模板，其中包含一个或多个类型参数，这些类型参数可以在实例化时被替换为具体的类型。

例：
template <typename T>
class MyContainer 
{
  public:
    void add(T element);
    T get(int index);
  private:
    T elements[100];
    int size;
};
在这个例子中：

1，`MyContainer` 是一个类模板；

2，`T` 是一个类型参数，可以在实例化时被替换为具体的类型，例如 `int` 或 `double`。

模板类

模板类是指使用类模板生成的具体类。

例：
//.....
MyContainer<int> intContainer;
MyContainer<double> doubleContainer;
//.....
在这个例子中:

1，`MyContainer<int>` 和 `MyContainer<double>` 都是模板类；

2，它们是使用类模板 `MyContainer` 生成的具体类，分别用于存储 `int` 和 `double` 类型的元素。