【C++】模板初阶 -- 详解

一、泛型编程

C 语言不支持泛型编程，C++ 支持泛型编程。

实现一个通用的交换函数： 

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;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个 不好 的地方：

1. 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。
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

而且上述函数它们的逻辑相似，唯一不同的就是待交换元素的类型。

能否告诉编译器一个模具，让编译器根据不同的类型利用该模具来生成对应的代码呢？ 

在 C++ 中，存在这样一个模具，叫做模板（template ）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），这会给我们节省很多时间。

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二、函数模板（Function Template）

1、概念

函数模板不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实参类型决定其功能。

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。

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2、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)
{
	函数体
}

注意：

• 其中 template 和 typename 都是关键字。
• typename 是用来定义模板参数关键字，也可以使用 class 关键字代替，在这里 typename 和 class 没有区别（切记：不能使用 struct 代替 class）。 

template <typename T> // T代表一个模板类型(虚拟类型)，具体是什么类型，得实例化了才知道
 
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
 
int main()
{
    double d1 = 2.0;
    double d2 = 5.0;
    Swap(d1, d2);
 
	int i1 = 10;
    int i2 = 20;
	Swap(i1, i2);
 
	char a = '0';
    char b = '9';
	Swap(a, b);
 
	return 0;
}

上面三次调用是同一个函数模板吗？

不是。

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3、函数模板的原理

函数模板并不是一个实在的函数，而是一个 对函数功能框架的描述，是 编译器根据实参类型产生具体类型函数的模具。

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， 提高了编程效率。

编译阶段经历如下过程：

• 先进行模板推演，推演 T 的具体类型是什么。

• 推演出 T 的具体类型后，再实例化生成具体的函数。

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：传入 double 类型实参来使用函数模板时 ，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 int、char 类型等也是如此。

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4、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。

（1）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 <class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
    return a+ b;
}
 
int main()
{
    int a = 10;
    double d = 10.0;
    cout << Add(a, d) << endl; // 编译失败，模板参数T不明确
 
    // 用强制类型转换生成的临时变量作为实参传递
	Add(a, (int)d);
	Add((double)a, d);
    
	return 0;
}

无法通过编译的原因：

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 d 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。

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（2）显式实例化

在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型。

有些函数模板的参数列表中没有用模板参数，在函数体中才有用，所以无法通过实参来推演 T 的类型，只能显式实例化。  

template <class T>
T func(int x)
{
	T a(x);
	return a;
}
 
int main()
{
	// func(1); // error
 
	func <int>(1);    // 指定模板参数的实际类型为int
	func <double>(1); // 指定模板参数的实际类型为double
	func (1);      // 指定模板参数的实际类型为自定义类型A
 
	return 0;
}

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5、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。

模板匹配原则：

1. 有现成完全匹配的，就直接调用。
2. 没有现成完全匹配的，调用模板实例化生成的。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
 
// 通用加法函数
template <class T>
T Add(T a, T b)
{
    return a + b;
}
 
int main()
{
    cout << Add(1, 2) << endl;           // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
    cout << Add <int>(1.1, 2.2) << endl; // 调用编译器特化的Add版本
 
    Add(1.1, 2.2); // 没有现成匹配的，优先选择编译器特化的Add(double, double)函数
 
    return 0;
}

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（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。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
 
// 通用加法函数
template <class T1, class T2>
T1 Add(T1 a, T2 b)
{
    return a + b;
}
 
int main()
{
    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
 
    return 0;
}

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（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。

int Add(const int& a, const int& b)
{
	return a + b;
}
 
int main()
{
	int a = 10;
	double d = 10.0;
 
	Add(a, d); // 类型不匹配，编译器进行隐式类型转换
 
    return 0;
}

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三、类模板（Class template）

1、概念

类模板是对一批仅仅成员数据类型不同的类的抽象，程序员只要为这一批类所组成的整个类家族创建一个类模板，给出一套程序代码，就可以用来生成多种具体的类（这些类可以看作是类模板的实例），从而大大提高编程的效率。

类模板的成员函数是按需实例化：只有当程序用到它时才进行实例化。

当类模板的成员函数（包括普通成员函数、成员函数模板）被调用时（即程序中出现了对该成员函数 / 函数模板的调用代码时），编译器才会帮我们把这些函数的具体实现代码进行实例化。若模板类中的某函数在程序中从未被调用过，那么编译器就不会实例化（生成）该成员函数的具体代码。

类模板成员函数的模板形参由调用该函数的对象的类型确定。对象的模板实参能够确定成员函数的模板形参。

注意：类模板中的成员函数都是函数模板。 

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2、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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（1）举例一 

// 注意：Stack不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template <class T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
		:_a(new T[capacity])
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	~Stack(); // 析构函数，在类中声明，类外定义
    // ...
private:
	T* _a;
	size_t _top;
	size_t _capacity;
};
 
// 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 <class T>
Stack::~Stack()
{
	if (_a)
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
	}
	_top = _capacity = 0;
}
 
int main()
{
	// 类模板的使用都是显式实例化
    // Stack是类名，Stack才是类型
	Stack<int*> st1;
	Stack<int> st2;
 
	return 0;
}

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（2）举例二 

template <class T>
class Vector
{ 
public :
    Stack(size_t capacity = 0)
    {
        if (capacity > 0)
		{
			_a = new T[capacity];
			_capacity = capacity;
			_top = 0;
		}
	}
    ~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_capacity = _top = 0;
	}
    void Push(const T& x); // 在类里面声明，类外面定义
    void Pop()
	{
		assert(_top > 0);
		--_top;
	}
	bool Empty()
	{
		return _top == 0;
	}
	const T& Top()
	{
		assert(_top > 0);
		return _a[_top - 1];
	}
private:
	T* _a = nullptr;
	size_t _top = 0;
	size_t _capacity = 0;
};
 
// 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 <class T>
void Stack::Push(const T& x)
{
	if (_top == _capacity)
	{
		size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2; // 开新空间						
		T* tmp = new T[newCapacity];
		if (_a)
		{
			memcpy(tmp, _a, sizeof(T)*_top); // 拷贝数据
			delete[] _a; // 释放旧空间
		}
		_a = tmp;
		_capacity = newCapacity;
	}
	_a[_top] = x;
	++_top;
}

注意：函数 / 类模板不支持分离编译。

比如：声明放在 .h ，定义放在 .cpp。 在 .h 里实例化了，但在 Stack.cpp 里却没有实例化，而 test.cpp 去找的时候，只有声明，没有定义，会报链接错误。如果声明和定义分离，需要将模板写在同一个文件里。

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2、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。

Vector<int> s1;
Vector<double> s2;
// 注意：Vector不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具

Vector 是类名，Vector 才是类型。

• 对于普通类，类名就是类型。

• 对于类模板，类名不是类型，类名才是类型。

注意：一个模板，如果没有实例化，编译器是不会去检查它内部的语法的。