【C++】泛型编程 | 函数模板 | 类模板

一、泛型编程

泛型编程是啥？

编写一种一般化的、可通用的算法出来，是代码复用的一种手段。

类似写一个模板出来，不同的情况，我们都可以往这个模板上去套。

举个例子：

void Swap(int& a, int& b)
{
    int tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
int main()
{
    int a = 1, b = 2;
    Swap(a, b);
    cout << a << b<
    return 0;
}

这是一个交换函数。如果很多不同类型的数据需要交换，咋办？

🤔函数重载？

函数重载的确可以解决，但是每多一种数据，都要实现对应的重载函数。实在太麻烦了。

我们想要的是：有一个一般化的模板，不管是什么类型，往这个模板函数上套用就行。这就是泛型编程的思想。

当用上泛型编程：

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
    T tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
int main()
{
    char a = 'a', b = 'b';
    Swap(a, b);
    cout << a << b<
    int c = 1, d = 2;
    Swap(c, d);
    cout << c << d << endl;
​
    return 0;
}

结果：

 

接下来我们具体介绍如何使用泛型编程。

二、函数模板

泛型编程思想下得到的函数，就像是过了模具得到的。这些“模具”，被称作函数模板。

函数模板不是一个函数，而是一个模板。

函数模板的参数是一个模板，可以包含多个类型，返回值也是一个模板，可以包含多个类型。

格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

注：

1.typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class。

2.tyname后面的类型名可以自己定，我们常常取为T(type)、Ty、K、V等，一般是大写字母or单词首字母大写。

运用起来：

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

或

template<class T>
……

原理

❓Q：这俩调用的是同一个Swap函数吗？

char a = 'a', b = 'b';
Swap(a, b);
    
int c = 1, d = 2;
Swap(c, d);

不是的！在函数栈帧里，要给形参开空间。这俩形参的类型不一样，自然不会是同一块空间。

不信我们看看汇编代码：

 

可见，调用的是两个不同的函数。

实际上，编译器会根据传入的实参类型来推演，把函数模板中的 T 换成相应类型，从而生成对应的函数。

如：当用double类型使用函数模板时，编译器会通过推演，将T替换成double，然后产生一份专门处理double类型的代码。

如果是int，那通过推演、替换，生成一份处理int的代码。

所以，在使用函数模板时，编译常常会慢上一点，因为它正在后台默默处理这些工作。

如图：

函数模板的实例化

什么叫”函数模板的实例化“？

是指：在调用函数模板时，根据传递的实参推导出函数模板的具体实现，生成一个特定类型的函数。

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

隐式实例化，就是不指定类型，让编译器 自己去推演 模板参数的类型。

例：

template<class T>
T Add(const T& a, const T& b)
    return a + b;
}
int main()
{
    cout << Add(1, 2) << endl;      
    cout << Add(1.1, 2.0) << endl;  
​
    return 0;
}

这里补充一个点（可跳过不看）：

当Add的实参是数字时，那一定要加const修饰形参。如果实参是变量，const就不是一定要加。

这样写会报错：

template<class T>
T Add( T& a,  T& b)     //不加const会报错
    return a + b;
}
int main()
{
    cout << Add(1, 2) << endl;    //当实参是数字
    cout << Add(1.1, 2.0) << endl;  
​
    return 0;
}

这是因为：编译器会做一个强校验，当实参是数字时，它本身就是不能被修改的，此时必须加const才能通过编译。

如果这样写，加const就只是锦上添花，不是必须要的：

template<class T>
T Add( T& a,  T& b)   //不加const也能通过编译
{
    return a + b;
}
int main()
{
    int a = 1, b = 2;
    cout << Add(a, b) << endl;  //当实参是变量
​
​
    return 0;
}

然而，下面这种情况却编译不通过：

 cout << Add(1.1, 2) << endl;   

 

这是因为：编译器根据实参1.1将 T推为double，根据实参2又将 T推为int，这样T就不知道自己到底是int还是double，矛盾了。

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

用强制转换的方式：

template<class T>
T Add(const T& a, const T& b)  
{
    return a + b;
}
int main()
{
    cout << Add(1, (int)2.1) << endl;      
    cout << Add((double)1, 2.1) << endl;
​
    return 0;
}

用显示实例化的方式：

cout << Add<int>(1, 2.1) << endl;   //指定实例化成int类型
​
cout << Add<double>(1, 2.1) << endl;   //指定实例化成double类型

显式实例化

显示实例化，就是显示地指定函数模板的实参，从而生成一个特定类型的函数。

格式：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

函数名 <类型> (参数列表);

如：

int main(void)
{
 int a = 10;
 double b = 20.1;
 
 // 显式实例化
 Add<int>(a, b);
 return 0;
}

如果类型不匹配，如b是bouble类型，但实例化类型指定为int，此时 编译器会尝试进行隐式类型转换。

如果转换失败 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。

int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
​
template<class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
    return a + b;
}
int main()
{
    cout << Add(1,2) << endl;   //调用非模板函数
    cout << Add<int>(1,2) << endl;   //调用 模板显示实例化出的函数
    return 0;
}

来看看怎么调用的：

❓为什么两者调用的函数不同呢？

当已经有现成的，专门处理int的函数Add存在时，Add(1,2)会优先调用现成的，这样效率更高，省去了模板实例化的时间。

而下面的Add(1,2)，则指定了编译器去显示实例化模板，生成int类型的Add函数。

➡️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。

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。

例：

int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
​
template<class T1,class T2>
T1 Add(const T1& a, const T2& b)
{
    return a + b;
}
int main()
{
    cout << Add(1,2) << endl;  
    cout << Add(1,2.0) << endl;   //模板会隐式实例化，使T1为int，T2为double，更匹配
    return 0;
}

来看看怎么调用的：

三、类模板

其实相比函数模板，后面用到 类模板的场景要更多。

为什么需要类模板

在没有类模板的时代，我们用typedef。typedef的问题有哪些呢？

typedef int STDateType;
class Stack
{
private:
    STDateType* _a;
    int _top;
    int _capacity;
};
int main()
{
    Stack s1;  //s1是int类型
    Stack s2;   //s2是char类型
    return 0;
}

如上，如果我们想要s1是int而s2是char，咋整？

解决办法：将int重命名为STDateType1，char重命名为STDateType2：

typedef int STDateType1;
typedef char STDateType2;
class Stack
{
private:
    STDateType1* _a;
    int _top;
    int _capacity;
};
class Stack
{
private:
    STDateType2* _a;  
    int _top;             
    int _capacity;
};
int main()
{
    Stack s1;  //s1是int类型
    Stack s2;   //s2是char类型
    return 0;
}

两段Stack代码重复度极高，可见这个办法很多余。这暴露了typedef所不能解决的问题。

这种场景下，就需要用到类模板了。

类模板

格式：

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

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。

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

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<int> s1;  //s1是int类型
Stack<char> s2;   //s2是char类型

这种场景下，编译器会根据、分别生成对应的class Stack{}；。

所以说，即使用了模板，T为 int和char时，依旧是两种不同的类，只不过不由我们手动实现，而是交给编译器去做了。

补充说明：

模板不支持分离编译，不能把声明写在.h文件，定义写在.cpp文件中。如果非要分离的话，模板是支持写在同一个文件里的。

可以把声明留在类里，定义写在类外（同一个文件里）。

用下面的例子展示下 声明与定义分离的写法：

class Stack
{
public:
    void Push(const T& x);  //声明写在类里
private:
    T* _a;  
    int _top;             
    int _capacity;
};
​
//定义在类外
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template<typename T>
void Stack::Push(const T& x)
{
    if (_top == _capacity)
    {
        ……
    }
    _a[_top] = x;
    _top++;
}

当然，都写在类里面也是可以的。

应用类模板

回到刚刚的那种场景，我们用类模板处理一下：

template<typename T>
class Stack
{
public:
    Stack(int capacity = 4)  
        :_a(nullptr)
        , _top(0)  
        , _capacity(0)   
    {
        if (capacity > 0) 
        {
            _a = new T[capacity];  
            _capacity = capacity;
            _top = 0;
        }
    }
private:
    T* _a;          //用模板，不同的类型都可以套
    int _top;             
    int _capacity;
};
int main()
{
    Stack<int> s1;  //s1是int类型
    Stack<char> s2;   //s2是char类型
    return 0;
}