C++函数模板和类模板（基础+进阶）

C++函数模板和类模板（基础+进阶）
模板详解

 泛型编程

如果让你编写一个函数，用于两个数的交换。在C语言中，我们会用如下方法：
```
// 交换两个整型
void Swapi(int* p1, int* p2)
{
    int tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swapd(double* p1, double* p2)
{
    double tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}

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因为C语言不支持函数重载，所以用于交换不同类型变量的函数的函数名是不能相同的，并且传参形式必须是址传递，不能是值传递。
而在学习了C++的函数重载和引用后，我们又会用如下方法实现两个数的交换：
```
// 交换两个整型
void Swap(int& x, int& y)
{
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swap(double& x, double& y)
{
    double tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

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C++的函数重载使得用于交换不同类型变量的函数可以拥有相同的函数名，并且传参使用引用传参，使得代码看起来不那么晦涩难懂。

但是，这种代码仍然存在它的不足之处：
1、重载的多个函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要出现新的类型需要交换，就需要新增对应的重载函数。
2、代码的可维护性比较低，其中一个重载函数出现错误可能意味着所有的重载函数都出现了错误。
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。

函数模板

函数模板的概念
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。

函数模板的格式

template
返回类型函数名(参数列表)
{
//函数体
}

例如：
```
template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
    T tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
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```
注意：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以用class代替，但是不能用struct代替。

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，对于函数模板的使用，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int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int类型，然后产生一份专门处理int类型的代码，对于double类型也是如此。

函数模板的实例化

用不同类型的参数使用模板时，称为模板的实例化。模板实例化分为隐式实例化和显示实例化。
一、隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
```
#include 
using namespace std;

template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
    return x + y;
}

int main()
{
    int a = 10, b = 20;
    int c = Add(a, b); //编译器根据实参a和b推演出模板参数为int类型
    return 0;
}

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特别注意：使用模板时，编译器一般不会进行类型转换操作。所以，以下代码将不能通过编译：
```
    int a = 10;
    double b = 1.1;
    int c = Add(a, b);
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```
因为在编译期间，编译器根据实参推演模板参数的实际类型时，根据实参a将T推演为int，根据实参b将T推演为double，但是模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处应该将T确定为int还是double。
此时，我们有两种处理方式，第一种就是我们在传参时将b强制转换为int类型，第二种就是使用下面说到的显示实例化。

二、显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
```
#include 
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int a = 10;
    double b = 1.1;
    int c = Add<int>(a, b); //指定模板参数的实际类型为int
    return 0;
}
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注意：使用显示实例化时，如果传入的参数类型与模板参数类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功，则编译器将会报错。

函数模板的匹配原则

一、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 
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{
    return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int a = 10, b = 20;
    int c = Add(a, b); //调用非模板函数，编译器不需要实例化
    int d = Add<int>(a, b); //调用编译器实例化的Add函数
    return 0;
}

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二、对于非模板函数和同名的函数模板，如果其他条件都相同，在调用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，那么选择模板
```
#include 
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{
    return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(const T1& x, const T2& y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int a = Add(10, 20); //与非模板函数完全匹配，不需要函数模板实例化
    int b = Add(2.2, 2); //函数模板可以生成更加匹配的版本，编译器会根据实参生成更加匹配的Add函数
    return 0;
}

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三、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
```
#include 
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int a = Add(2, 2.2); //模板函数不允许自动类型转换，不能通过编译
    return 0;
}

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因为模板函数不允许自动类型转换，所以不会将2自动转换为2.0，或是将2.2自动转换为2。

类模板

 类模板的定义格式

template
class 类模板名
{
//类内成员声明
};
```
template<class T>
class Score
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "数学:" << _Math << endl;
        cout << "语文:" << _Chinese << endl;
        cout << "英语:" << _English << endl;
    }
private:
    T _Math;
    T _Chinese;
    T _English;
};

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注意：类模板中的成员函数若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。
```
template<class T>
class Score
{
public:
    void Print();
private:
    T _Math;
    T _Chinese;
    T _English;
};
//类模板中的成员函数在类外定义，需要加模板参数列表
template<class T>
void Score<T>::Print()
{
    cout << "数学:" << _Math << endl;
    cout << "语文:" << _Chinese << endl;
    cout << "英语:" << _English << endl;
}

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除此之外，类模板不支持分离编译，即声明在xxx.h文件中，而定义却在xxx.cpp文件中。

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面根<>，然后将实例化的类型放在<>中即可
```
//Score不是真正的类，Score和Score才是真正的类
Score<int> s1;
Score<double> s2;
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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

 模板进阶

 非类型模板参数

模板参数可分为类型形参和非类型形参。
类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或typename关键字之后的参数类型名称。
非类型形参：用一个常量作为类（函数）模板的一个参数，在类（函数）模板中可将该参数当成常量来使用。

例如，我们要实现一个静态数组的类，就需要用到非类型模板参数。
```
template<class T, size_t N> //N：非类型模板参数
class StaticArray
{
public:
    size_t arraysize()
    {
        return N;
    }
private:
    T _array[N]; //利用非类型模板参数指定静态数组的大小
};

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使用非类型模板参数后，我们就可以在实例化对象的时候指定所要创建的静态数组的大小了。
```
int main()
{
    StaticArray<int, 10> a1; //定义一个大小为10的静态数组
    cout << a1.arraysize() << endl; //10
    StaticArray<int, 100> a2; //定义一个大小为100的静态数组
    cout << a2.arraysize() << endl; //100
    return 0;
}
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注意：
1. 非类型模板参数只允许使用整型，浮点数。类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
2. 非类型的模板参数在编译期就需要确认结果，因为编译器在编译阶段就需要根据传入的非类型模板参数生成对应的类或函数。
模板的特化

 概念

这里举一个简单的例子来说明什么是特化，下面是用于比较两个任意相同类型的数据是否相等的函数模板。
```
template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{
    return x == y;
}

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我们大概会这样使用函数模板：

cout << IsEqual(1, 1) << endl; //1
cout << IsEqual(1.1, 2.2) << endl; //0

这样使用是没有问题的，它的判断结果也是我们所预期的，但是我们也可能会这样去使用该函数模板：

char a1[] = "2021chr";
char a2[] = "2021chr";
cout << IsEqual(a1, a2) << endl; //0

判断结果是这两个字符串不相等，这很好理解，因为我们希望的是该函数能够判断两个字符串的内容是否相等，而该函数实际上判断是确实这两个字符串所存储的地址是否相同，这是两个存在于栈区的字符串，其地址显然是不同的。
类似于上述实例，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊的类型可能会得到一些错误的结果，此时就需要对模板进行特化，即在原模板的基础上，针对特殊类型进行特殊化的实现方式

 函数模板特化

对于上述实例，我们知道当传入的类型是char时，应该依次比较各个字符的ASCII码值进而判断两个字符串是否相等，或是直接调用strcmp函数进行字符串比较，那么此时我们就可以对char类型进行特殊化的实现。
函数模板的特化步骤：
1. 首先必须要有一个基础的函数模板。
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>。
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型。
4. 函数形参表必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，否则不同的编译器可能会报一些奇怪的错误。
对于上述实例char*类型的特化如下：
```
//基础的函数模板
template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{
    return x == y;
}
//对于char*类型的特化
template<>
bool IsEqual<char*>(char* x, char* y)
{
    return strcmp(x, y) == 0;
}

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注意： 一般情况下，如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。例如，上述实例char*类型的特化还可以这样给出：
```
//基础的函数模板
template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{
    return x == y;
}
//对于char*类型的特化
bool IsEqual(char* x, char* y)
{
    return strcmp(x, y) == 0;
}

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类模板特化

不仅函数模板可以进行特化，类模板也可以针对特殊类型进行特殊化实现，并且类模板的特化又可分为全特化和偏特化（半特化）。

全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。
例如，对于以下类模板：
```
template<class T1, class T2>
class Dragon
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    T1 _D1;
    T2 _D2;
};
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当T1和T2分别是double和int时，我们若是想对实例化的类进行特殊化处理，那么我们就可以对T1和T2分别是double和int时的模板进行特化。
函数模板的特化步骤：
1. 首先必须要有一个基础的类模板。
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>。
3. 类名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型。
对于T1是double，T2是int的特化如下：
```
//对于T1是double，T2是int时进行特化
template<>
class Dragon<double, int>
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    double _D1;
    int _D2;
};

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那么如何证明当T1是double，T2是int时，使用的就是我们自己特化的类模板呢？
当我们实例化一个对象时，编译器会自动调用其默认构造函数，我们若是在构造函数当中打印适当的提示信息，那么当我们实例化对象后，通过观察控制台上打印的结果，即可确定实例化该对象时调用的是不是我们自己特化的类模板了。

偏特化

偏特化是指任何针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。
例如，对于以下类模板：
```
template<class T1, class T2>
class Dragon
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    T1 _D1;
    T2 _D2;
};

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偏特化又可分为以下两种表现形式：
1、部分特化
我们可以仅对模板参数列表中的部分参数进行确定化。
例如，我们可以对T1为int类型的类进行特殊化处理。
```
//对T1为int的类进行特化
template<class T2>
class Dragon<int, T2>
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    int _D1;
    T2 _D2;
};

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此时只要实例化对象时指定T1为int，就会使用这个特化的类模板来实例化对象。

2、参数更进一步的限制
偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。
例如，我们还可以指定当T1和T2为某种类型时，使用我们特殊化的类模板。
```
//两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Dragon<T1*, T2*>
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    T1 _D1;
    T2 _D2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Dragon<T1&, T2&>
{
public:
    //构造函数
    Dragon()
    {
        cout << "Dragon" << endl;
    }
private:
    T1 _D1;
    T2 _D2;
};

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此时，当实例化对象的T1和T2同时为指针类型或同时为引用类型时，就会分别调用我们特化的两个类模板。

模板的分离编译

什么是分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。

模板的分离编译

在分离编译模式下，我们一般创建三个文件，一个头文件用于进行函数声明，一个源文件用于对头文件中声明的函数进行定义，最后一个源文件用于调用头文件当中的函数。
按照此方法，我们若是对一个加法函数模板进行分离编译，其三个文件当中的内容大致如下：

但是使用这三个文件生成可执行文件时，却会在链接阶段产生报错。

下面我们对其进行分析：
我们都知道，程序要运行起来一般要经历以下四个步骤：
1. 预处理：头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等。
2. 编译：检查代码的规范性、是否有语法错误等，确定代码实际要做的工作，在检查无误后，将代码翻译成汇编语言。
3. 汇编：把编译阶段生成的文件转成目标文件。
4. 链接：将生成的各个目标文件进行链接，生成可执行文件。
以上代码在预处理阶段需要进行头文件的包含以及去注释操作。

这三个文件经过预处理后实际上就只有两个文件了，若是对应到Linux操作系统当中，此时就生成了 Add.i 和 main.i 文件了。预处理后就需要进行编译，虽然在 main.i 当中有调用Add函数的代码，但是在 main.i 里面也有Add函数模板的声明，因此在编译阶段并不会发现任何语法错误，之后便顺利将 Add.i 和 main.i 翻译成了汇编语言，对应到Linux操作系统当中就生成了 Add.s 和 main.s 文件。

之后就到达了汇编阶段，此阶段利用 Add.s 和 main.s 这两个文件分别生成了两个目标文件，对应到Linux操作系统当中就是生成了 Add.o 和 main.o 两个目标文件。

前面的预处理、编译和汇编都没有问题，现在就需要将生成的两个目标文件进行链接操作了，但在链接时发现，在main函数当中调用的两个Add函数实际上并没有被真正定义，主要原因是函数模板并没有生成对应的函数，因为在全过程中都没有实例化过函数模板的模板参数T，所以函数模板根本就不知道该实例化T为何类型的函数。

模板分离编译失败的原因：

在函数模板定义的地方（Add.cpp）没有进行实例化，而在需要实例化函数的地方（main.cpp）没有模板函数的定义，无法进行实例化。

解决方法

解决类似于上述模板分离编译失败的方法有两个，第一个就是在模板定义的位置进行显示实例化。
例如，对于上述代码解决方案如下：

在函数模板定义的地方，对T为int和double类型的函数进行了显示实例化，这样在链接时就不会找不到对应函数的定义了，也就能正确执行代码了。

虽然第一种方法能够解决模板分离编译失败的问题，但是我们这里并不推荐这种方法，因为我们需要用到一个函数模板实例化的函数，就需要自己手动显示实例化一个函数，非常麻烦。

现在就来说说解决该问题的第二个方法，也是我们所推荐的，那就是对于模板来说最好不要进行分离编译，不论是函数模板还是类模板，将模板的声明和定义都放到一个文件当中就行了。
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原文地址：https://blog.csdn.net/m0_63601133/article/details/127855693

模板详解

泛型编程

函数模板

函数模板的格式

函数模板的原理

函数模板的实例化

函数模板的匹配原则

类模板

类模板的定义格式

类模板的实例化

模板进阶

非类型模板参数

模板的特化

概念

函数模板特化

类模板特化

全特化

偏特化

模板的分离编译

什么是分离编译

模板的分离编译

模板分离编译失败的原因：

解决方法