C++中的泛型详细讲解

1.定义

它是一种泛化的编程方式，其实现原理为程序员编写一个函数/类的代码示例，让编译器去填补出不同的函数实现。允许您延迟编写类或方法中的编程元素的数据类型的规范，直到实际在程序中使用它的时候。换句话说，泛型允许您编写一个可以与任何数据类型一起工作的类或方法。

2.模板

模板是泛型编程的基础，是创建泛型类或函数的蓝图或公式。库容器，比如迭代器和算法，都是泛型编程的例子，它们都使用了模板的概念。每个容器都有一个单一的定义，比如 向量，我们可以定义许多不同类型的向量，比如 vector 或 vector 。可以使用模板来定义函数和类，我们来具体分析一下模板函数和模板类的创建和使用：

2.1 模板函数

我们想实现像Python一样，一个带有参数的方法，它的相同参数可以传递不同类型的值。我们通过下面的例子来了解一下：

#include
using namespace std;

template<typename T>
void Test(T& arg1,T& arg2) // 这是一个实现两个变量值交换的函数
{
    T temp = arg1;
    arg1 = arg2;
    arg2 = temp;
}
// typename 是定义模板的关键字，可以用class来替代（注意不能用struct）
int main()
{
    int a = 10, b = 20;
    double c = 5.2, d = 10.5;
    Test(a, b);
    Test(c, d);
    cout << a << " " << b << endl;
    cout << c << " " << d << endl;
}
// 输出结果：
20 10
10.5 5.2

// 我们交换了int类型的a与b的值，double类型c和d的值
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如果我们将int和double同时传给Swap这个函数，那么编译器会报错，表示模板参数T不明确，那么我们需要做如下改动：

（1）把函数传参中的引用去掉

（2）把a强制转换成double类型，Swap((double)a, c)

#include
using namespace std;

template<typename T>
void Test(T arg1,T arg2) // 把“&”引用去掉
{
    T temp = arg1;
    arg1 = arg2;
    arg2 = temp;
    cout << arg1 << " " << arg2 << endl;
}

int main()
{
    int a = 10;
    double c = 5.2;

    Test((double)a, c);
    cout << "a:" << a << " c:" << c << endl;
}

// 输出结果：
5.2 10
a:10 c:5.2
// a,c值没有变，是因为我们传参是值传递
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接下来我们看一下，多个模板参数的情况：

#include
#include
using namespace std;

template<typename T1, typename T2>
void Info(T1 arg1,T2 arg2)
{
    cout << typeid(arg1).name() << endl;
    cout << typeid(arg2).name() << endl;
}

int main()
{
    int a = 10;
    double c = 5.2;

    Info(a, c);
    cout << "a:" << a << " c:" << c << endl;
}

// 输出结果：
i
d
a:10 c:5.2
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可以看到，实际上函数在调用这个模板的时候，已经实例化了这个函数（即替换模板参数为正确参数类型）这时候在后台处理的时候，其实Show函数已经实例化为了下面这个样子

void Info(int arg1,double arg2)
{
    cout << typeid(arg1).name() << endl;
    cout << typeid(arg2).name() << endl;
}
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2.2 函数模板实例化

上面的方式，是编译器自动帮我们实例化模板参数。在实际使用中，我们还可以自己指定实例化为什么类型

• 利用强制类型转换
• 使用直接指定实例化为int类型

#include
using namespace std;

template<typename T>
void Test(T arg1,T arg2) // 把“&”引用去掉
{
    T temp = arg1;
    arg1 = arg2;
    arg2 = temp;
    cout << arg1 << " " << arg2 << endl;
}

int main()
{
    int a = 10;
    double c = 5.2;

    Test((double)a, c);    // 强制类型转换
    Test<int>(a, c);        // 直接指定
    cout << "a:" << a << " c:" << c << endl;
}
/*
使用第二种方式的时候，编译器会对另外一个不匹配的参数进行隐式类型转换。如果转换不成功，则会报错。

另外注意的是，函数模板参数T同样可以用来作为返回值，但是不能通过返回值来推断参数T的类型。比如下面这个函数，我们在使用的时候就需要直接指定模板参数T，而不能写一个int* ptr=test(10)让编译器通过“返回值是int*接收的，所以函数模板参数T是int”来推断。
*/
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2.3 函数模板实例化

函数模板支持给予参数缺省值，当一个参数不确定的时候，函数模板是支持给予缺省值的

template<typename T=char>
T* Test(int num)
{
	return new T[num];
}
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当有多个模板参数时，缺省值需要从右往左给，当然函数模板的传参也支持缺省值：

#include
using namespace std;

template
void Test(T arg1,T arg2=20) // 把“&”引用去掉
{
    T temp = arg1;
    arg1 = arg2;
    arg2 = temp;
    cout << arg1 << " " << arg2 << endl;
}

int main()
{
    int a = 10;

    Test(a);
}
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2.4 模板函数与普通函数同时存在情况

函数在调用的时候，首先会去调用已经存在的函数。当参数和已存在的函数不匹配时，才会调用函数模板

#include
using namespace std;

template<typename T>
void Test(T arg1,T arg2 = 90) 
{
    cout << "Test temp " << arg1 << " " << arg2 << endl;
}

void Test(int arg1,int arg2) 
{
   	cout << "Test " << arg1 << " " << arg2 << endl;
}

int main()
{
    int a = 10, b = 20;
    double c = 5.2, d = 10.5;

    Test(a);
    Test(a, b);
    Test(a, (int)c);    // 强转
    Test((double)a, c); // 强转
    Test<int>(a, c);    // 直接指定为int
}
// 输出结果：
Test temp 10 90
Test 10 20
Test 10 5
Test temp 10 5.2
Test temp 10 5

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2.5 函数模板不支持定义和声明分离

函数模板的声明和定义要放在一个头文件中。在部分使用场景，会使用.hpp来表示这个头文件是包含了函数定义的（即.h和.cpp的集合体）。需要注意，这并不是一个硬性要求，你也可以直接使用.h，并将声明和定义放入其中。因为单独的.h声明会在源文件顶部展开，而此时函数模板正常推演参数，但编译器并没有找到函数的实现，即这是一个没有地址的函数。从而导致编译器找不到函数的地址，产生了符号表的链接错误。其实是有的，我们可以在模板函数定义的.cpp中对我们需要使用的函数进行显式实例化指定

//头文件
//声明
template<typename T>
void Test(T arg1, T arg2);
//源文件
//定义
template<typename T>
void Test(T arg1, T arg2)
{
   cout << arg1 << " " << arg2 << endl;
}
//在源文件中显式实例化
template
void Test<int>(int arg1, int arg2);
template
void Test<double>(double arg1, double arg2);

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显式实例化需要对我们要用的所有函数进行实例化，比如你需要用double类型，只显示实例化了int类型是不行的，依旧会报错。这样感觉非常多余……！所以还是把声明和定义放在同一个文件里面清晰明了一些。

3 类模板

正如我们定义函数模板一样，我们也可以定义类模板。泛型类声明的一般形式如下所示：

template <class type> class class-name {
.
.
.
}
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在这里，type 是占位符类型名称，可以在类被实例化的时候进行指定。您可以使用一个逗号分隔的列表来定义多个泛型数据类型。

下面的实例定义了类 Stack<>，并实现了泛型方法来对元素进行入栈出栈操作：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
using namespace std;
 
template <class T>
class Stack { 
  private: 
    vector<T> elems;     // 元素 
 
  public: 
    void push(T const&);  // 入栈
    void pop();               // 出栈
    T top() const;            // 返回栈顶元素
    bool empty() const{       // 如果为空则返回真。
        return elems.empty(); 
    } 
}; 
 
template <class T>
void Stack<T>::push (T const& elem) 
{ 
    // 追加传入元素的副本
    elems.push_back(elem);    
} 
 
template <class T>
void Stack<T>::pop () 
{ 
    if (elems.empty()) { 
        throw out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack"); 
    }
    // 删除最后一个元素
    elems.pop_back();         
} 
 
template <class T>
T Stack<T>::top () const 
{ 
    if (elems.empty()) { 
        throw out_of_range("Stack<>::top(): empty stack"); 
    }
    // 返回最后一个元素的副本 
    return elems.back();      
} 
 
int main() 
{ 
    try { 
        Stack<int>         intStack;  // int 类型的栈 
        Stack<string> stringStack;    // string 类型的栈 
 
        // 操作 int 类型的栈 
        intStack.push(7); 
        cout << intStack.top() <<endl; 
 
        // 操作 string 类型的栈 
        stringStack.push("hello"); 
        cout << stringStack.top() << std::endl; 
        stringStack.pop(); 
        stringStack.pop(); 
    } 
    catch (exception const& ex) { 
        cerr << "Exception: " << ex.what() <<endl; 
        return -1;
    } 
}

// 输出结果：
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hello
Exception: Stack<>::pop(): empty stack
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