C++从入门到精通——模板

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前言

C++模板是C++语言中的一种泛型编程技术，可以实现在编译期间生成不同类型的函数或类。通过使用模板，可以编写通用的代码，使其能够处理多种不同类型的数据。

C++模板可以分为函数模板和类模板两种类型

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一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

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：

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

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。

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。

二、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。

函数模板是一种通用的函数定义，它可以根据不同的参数类型自动实例化成具体的函数。函数模板可以用于编写具有通用性的代码，可以处理多种类型的数据，提高代码的复用性和灵活性。

函数模板的定义通常以关键字 “template” 开始，后跟模板参数列表。模板参数可以是类型参数、非类型参数或模板参数包。在函数模板中，可以使用模板参数来定义函数的参数类型、返回类型或局部变量类型。模板参数可以在函数模板定义中的任何地方使用。

函数模板的实例化是通过在调用函数时根据实际参数类型来自动生成具体的函数。编译器根据调用的参数类型匹配合适的函数模板实例化，并生成对应的函数代码。

使用函数模板可以实现代码的泛化，通过一次定义，可以处理多种类型的数据，避免了重复编写类似的代码。同时，函数模板还可以提供更加灵活的编程方式，允许用户根据具体需求自定义类型参数。

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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示例

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
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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(切记：不能使用struct代替class)

template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
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ps：C++里可以直接使用swap

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。

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 temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);

	/*
	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a1将T推演为int，通过实参d1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
	Add(a1, d1);
	*/

	// 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
	Add(a, (int)d);
	return 0;
}
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显式实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;

	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}
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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。我们也可以使用auto做返回值来推，系统会自动匹配最优的

示例

对于这个函数，func(1)直接调用会出错，因为系统不能推出T的类型是什么，这时候我们必须使用显试实例化

auto做模板函数的返回值

Auto是C++11引入的一个关键字，用于指示编译器推导变量的类型。它可以用于模板函数的返回值类型推导。

下面是一个示例模板函数，其中使用了auto作为返回值类型：

template<typename T>
auto add(T a, T b) -> decltype(a + b) {
    return a + b;
}
/*或者
auto add(T a, T b)
{
	return a+b;
}

*/
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在这个例子中，add函数模板接受两个参数，并使用decltype来推导返回值类型。decltype(a + b)会根据a和b的类型推导出表达式a + b的类型。

你可以使用该模板函数来执行任何可以相加的类型，例如整数、浮点数、字符串等。

下面是一个使用该模板函数的示例：

int main() {
    int result1 = add(1, 2);
    double result2 = add(1.5, 2.5);
    std::string result3 = add("Hello", " World");
    
    std::cout << result1 << std::endl;  // 输出：3
    std::cout << result2 << std::endl;  // 输出：4.0
    std::cout << result3 << std::endl;  // 输出：Hello World
    
    return 0;
}
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需要注意的是，使用auto作为返回值类型时，编译器会根据实际参数来推导出返回类型，因此在模板函数被实例化时，返回值类型会被具体确定。

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 main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;

	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}
//
// 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 T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}

void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

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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 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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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
   以下是一个模板函数示例，其中不允许自动类型转换：

template<typename T>
void foo(T param);

int main()
{
    int a = 5;
    double b = 3.14;
    
    foo(a); // 编译错误，无法自动将int类型转换为T类型
    foo(b); // 编译错误，无法自动将double类型转换为T类型
    
    return 0;
}
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在上面的示例中，foo 是一个模板函数，接受一个类型为 T 的参数 param。由于 T 是模板参数，编译器不知道应该将 a 和 b 分别转换成什么类型的参数，因此会发生编译错误。

下面是一个普通函数示例，其中允许自动类型转换：

void bar(int param);

int main()
{
    int a = 5;
    double b = 3.14;
    
    bar(a); // 自动将int类型转换为函数的参数类型int
    bar(b); // 自动将double类型转换为函数的参数类型int
    
    return 0;
}
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在上面的示例中，bar 是一个普通函数，接受一个类型为 int 的参数 param。由于函数的参数类型是明确的 int，编译器可以自动将 a 和 b 转换为 int 类型的参数，因此不会发生编译错误。

总结

1. 都有的情况，优先匹配普通函数+参数匹配
2. 没有普通函数，优先匹配参数匹配+函数模板
3. 只有一个，类型转换一下也能用，也可以匹配调用

template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
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对于这个模板，T1& left 和T2& right 与T1 left 和T2 right 有什么区别？

在这个模板中，T1& left 和T2& right 是引用参数，而 T1 left 和T2 right 是值参数。

通过使用引用参数，函数可以直接访问传递给它的对象，而不需要创建副本。这样可以避免额外的内存开销，并且可以对原始对象进行修改。

而值参数需要将传递的对象复制给函数内部的新变量。这意味着函数内部操作的是副本，对原始对象没有影响。

因此，使用引用参数可以提供更高效的操作，并且可以在函数内部修改传递的对象。而使用值参数则会创建副本并且不会对原始对象产生影响。

在这个模板中，使用值参数和引用参数都是合法的。具体使用哪种取决于你的需求和意图。

三、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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// 动态顺序表
// 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
template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
	~Vector();

	void PushBack(const T& data)；
		void PopBack()；
		// ...

		size_t Size() { return _size; }

	T& operator[](size_t pos)
	{
		assert(pos < _size);
		return _pData[pos];
	}

private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	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>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}
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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。

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