【C++】模板初阶

👉泛型编程👈

我想问大家一个问题，如果要求你实现一个通过的交换函数，你会怎么去实现呢？可能有人会写出下面的代码：

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;
}
// .....
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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？

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），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

这时候，泛型编程就登上了历史舞台。泛型编程就是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。

👉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。

函数模板格式

template <typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}
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#include 
using namespace std;

//template  // 这样写也可以
template <typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);

	doublec = 1.1, d = 2.2;
	Swap(c, d);

	return 0;
}
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注意：typename 是用来定义模板参数关键字，也可以使用 class，但是不能使用 struct 代替 class。

函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

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。

注：实例化出来的函数是不一样的。用的类型越多，编译器实例化出来的函数就会越多。

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

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

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);

	double c = 1.1, d = 2.2;
	Swap(c, d);

	return 0;
}
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如果我想要 a 和 c 进行交换可以吗？我们来试一下。

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 a 将 T 推演为 int，通过实参 c 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。

为了更好地讲解下面的内容，我们用加法函数来举例。

如果要 int 数据加上 double 数据呢？那么就可以进行其中一个类型的数据强转成另一个类型的数据。

注意：上面的强制类型转换会产生临时变量，临时变量具有常性，所以模板函数的参数需要用 const 修饰。

显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型

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。

当然，函数模板的参数类型还可以不同。

模板参数的匹配原则

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。

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
}
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注：模板函数和非模板函数可以同时存在，也就说明它们经过函数名修饰规则修饰后的函数名是不同的。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。

👉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
};
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template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "Stack(int capacity = )" <<capacity<<endl;

		_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}

		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;

		free(_a);
		_a = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}

	void Push(const T& x) // 传参尽量使用引用，因为T有可能是自定义类型
	{
		// ....
		// 扩容
		_a[_top++] = x;
	}

private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
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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。

Stack<int> st1;
Stack<double> st2;
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有人会问出一样的问题，我可以使用typedef好像也可以达到这样的效果。其实不能，如果我想要两个存储不同数据类型的栈的话，typedef就不能做到这样了。因为typede解决的问题并不是泛型编程，而是代码的可维护性问题。

注：类模板一般没有推演时机，函数模板实参传递给形参时可以推演模板参数，而类模板只能显式实例化。模板类是同一个类模板实例化出来的，但是模板参数不同，它们就是不同的类型。

类模板是一个类家族，模板类是通过类模板实例化的具体类。在 C++ 中规定，如果一个类被声明为类模板，那么其中的所有成员函数都是模板函数。

👉operator[] 运算符重载👈

#include 
using namespace std;
#include 
#define N 10

namespace Joy
{
	template<class T>
	class arr
	{
	public:
		T& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < N);
			return _a[pos];
		}

	private:
		T _a[N];
	};
}

int main()
{
	Joy::arr<int> a1;
	for (size_t i = 0; i < N; i++)
	{
		a1[i] = i; // a1.operator[](i) = i;
	}

	for (size_t i = 0; i < N; i++)
	{
		a1[i]++;
	}

	for (size_t i = 0; i < N; i++)
	{
		cout << a1[i] << ' ';
	}
	cout << endl;

	return 0;
}
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注意：operator[] 运算符重载是非常有用的，有了它，以后要学习的 string 类用起来就像是在用数组一样。而且有了这个运算符重载，如果越界访问了，就一定会报错（assert断言检查），而之前的数组越界不一定会检查。