• C++之模板——初阶

    目录

    一. 泛型编程

    二. 函数模板

    1. 函数模板概念

    2. 函数模板格式

    4. 函数模板的实例化

    5. 模板参数的匹配原则

    三. 类模板

    1. 类模板的定义格式

    2. 类模板的实例化

    四. 模板分离编译

    1. 什么是分离编译

    2. 模板的分离编译

    3. 解决方法

    一. 泛型编程

    以实现一个交换函数为例，当我们要实现一个可以交换各种类型的交换的函数，我们一般会像以下代码一样：

    1. void Swap(int& left, int& right)
    2. {
    3.   int temp = left;
    4.   left = right;
    5.   right = temp;
    6. }
    7. void Swap(double& left, double& right)
    8. {
    9.   double temp = left;
    10.   left = right;
    11.   right = temp;
    12. }
    13. void Swap(char& left, char& right)
    14. {
    15.   char temp = left;
    16.   left = right;
    17.   right = temp;
    18. }
    19. ......

    但是使用函数重载仍然有它的缺点：

    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

    所以这个时候就出现了泛型编程。

    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

    1. 函数模板概念

    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。

    2. 函数模板格式

    1. template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
    2. 返回值类型 函数名(参数列表){}
    1. //一个模板参数
    2. template<typename T>
    3. void Swap(T& left,  T& right)
    4. {
    5.     T temp = left;
    6.     left = right;
    7.     right = temp;
    8. }
    9.  
    10. //多个模板参数
    11. template<typename K, typename V>
    12. K add(const K& left, const V& right)
    13. {
    14.     return left + right;
    15. }
    16.  
    17. //模板也可以有缺省参数，不过缺省的是类型，和函数参数的意思是一样的
    18. template<typename K = double, typename V = char, typename H = int>
    19. void add()
    20. {
    21.     cout << sizeof(K) << endl;
    22.     cout << sizeof(V) << endl;
    23.     cout << sizeof(H) << endl;
    24. }

    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)

    3. 函数模板原理

    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，对于字符类型也是如此。

    所以，这里我们可以知道，其实三个swap函数其实是调用了三个函数，并不是调用了一个函数。

    需要注意的是：函数模板类型虽然一般是编译器根据实参传递给形参，推演出来的，但是，如果不能自动推演，那么我们就需要显示实例化，指定模板参数，如下情况：

    这里编译器就无法推导出T，需要我们自己去指定模板参数，如下：

    我们就会发现，编译通过了，所以并不是说函数模板一定就是使用隐式实例化，特定场景也需要使用显示实例化。

    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。

    注：实例化是在编译阶段进行的（可以查看编译完成的.s文件）。

    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 
      1. template<class T>
      2. T Add(const T& left, const T& right)
      3. {
      4.     return left + right;
      5. }
      6. int main()
      7. {
      8.     int a1 = 10, a2 = 20;
      9.     double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
      10.     Add(a1, a2);
      11.     Add(d1, d2);
      12.     
      13.     /*
      14.      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
      15.      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，
      16.      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
      17.      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
      18.      Add(a1, d1);
      19.     */
      20.     
      21.     // 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
      22.     Add(a, (int)d);
      23.     return 0;
      24. }
    2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型 
      1. int main(void)
      2. {
      3.     int a = 10;
      4.     double b = 20.0;
      5.     
      6.     // 显式实例化
      7.     Add<int>(a, b);
      8.     Add<double>(a, b);
      9.     return 0;
      10. }

    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。

    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 
      1.  // 专门处理int的加法函数
      2.  int Add(int left, int right)
      3.  {
      4.       return left + right;
      5.  }
      6.   
      7.   // 通用加法函数
      8.   template<class T>
      9.   T Add(T left, T right)
      10.   {
      11.       return left + right;
      12.   }
      13.   
      14.   void Test()
      15.   {
      16.       Add(1, 2);       //与非模板函数匹配，编译器不需要特化
      17.       Add<int>(1, 2);  //显示实例化，调用编译器特化的Add版本
      18.   }

    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

      1.    // 专门处理int的加法函数
      2.   int Add(int left, int right)
      3.   {
      4.       return left + right;
      5.   }
      6.   
      7.   // 通用加法函数
      8.   template<class T1, class T2>
      9.   T1 Add(T1 left, T2 right)
      10.   {
      11.       return left + right;
      12.   }
      13.   
      14.   void Test()
      15.   {
      16.       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
      17.       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
      18.   }

    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

    三. 类模板

    1. 类模板的定义格式

    1. template<class T1, class T2, ..., class Tn>
    2. class 类模板名
    3. {
    4.     // 类内成员定义
    5. };
    6. //类模板参数和函数模板参数是一个意思

    具体使用场景：

    1. //动态顺序表
    2. //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
    3. template<class T>
    4. class Vector
    5. { 
    6. public:
    7.     Vector(size_t capacity = 10)
    8.      :_pData(new T[capacity])
    9.      ,_size(0)
    10.      ,_capacity(capacity)
    11.     {}
    12.  
    13.     //使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
    14.     ~Vector();
    15.  
    16.     void PushBack(const T& data)；
    17.     void PopBack()；
    18.     //...
    19.  
    20.     size_t Size() 
    21.     {
    22.         return _size;
    23.     }
    24.     T& operator[](size_t pos)
    25.     {
    26.          assert(pos < _size);
    27.          return _pData[pos];
    28.     }
    29. private:
    30.     T* _pData;
    31.     size_t _size;
    32.     size_t _capacity;
    33. };
    34.  
    35. //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
    36. template <class T>
    37. Vector<T>::~Vector()
    38. {
    39.     if(_pData)
    40.          delete[] _pData;
    41.     _size = _capacity = 0;
    42. }

    2. 类模板的实例化

    类模板实例化与函数模板实例化不同，必须显示实例化，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。

    1. // Vector类名，Vector<int>才是类型
    2. Vector<int> s1;
    3. Vector<double> s2;

    这里和函数模板同理，其实是两个类型，并不是一个类型。

    四. 模板分离编译

    1. 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。

    2. 模板的分离编译

    （1）需要注意函数模板和类模板的分离后的声明和定义方式：

    函数模板声明：

    1. template<typename T>
    2. void Swap(T& left, T& right);

    函数模板的定义：

    1. template<typename T>
    2. void Swap(T& left, T& right)
    3. {
    4. 	T temp = left;
    5. 	left = right;
    6. 	right = temp;
    7. }

    类模板声明：

    1. template<class T>
    2. class Vector
    3. {
    4. public:
    5. 	Vector(size_t capacity = 10);
    6. 	void PushBack(const T& x);
    7. private:
    8. 	T* _pData;
    9. 	size_t _size;
    10. 	size_t _capacity;
    11. };

    类模板的定义：

    1. template<class T>
    2. Vector<T>::Vector(size_t capacity)
    3. 	: _pData(new T[capacity])
    4. 	, _size(0)
    5. 	, _capacity(capacity)
    6. {}
    7.  
    8. template<class T>
    9. void Vector<T>::PushBack(const T& x)
    10. {
    11. 	// ...
    12. }

    （2）分离编译其实也是会出现问题的：

    以模板函数为例：

    假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

    1. // a.h
    2. template<class T>
    3. T Add(const T& left, const T& right);
    1. // a.cpp
    2. template<class T>
    3. T Add(const T& left, const T& right)
    4. {
    5.     return left + right;
    6. }
    1. // main.cpp
    2. #include"a.h"
    3. int main()
    4. {
    5.     Add(1, 2);
    6.     Add(1.0, 2.0);
    7.     return 0;
    8. }

    当按上面的步骤进行编译运行便会出现以下问题：

    直接出现链接错误，什么情况？

    根据C/C++程序运行之前需要经历以下步骤：

    预处理--->编译--->汇编--->链接

    链接的任务是将多个.o文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题，即合并符号表。也就是说这里出现链接错误其实是符号表合并失败了，为什么？

    template.h在template.cpp被包含了，预编译阶段会进行展开，也就是说，template.cpp在编译阶段时需要编译template.cpp并生成符号表，但是，由于template.cpp中，编译器并没有看到对Add模板函数的实例化，因此不会生成具体的Add函数，因此没有函数地址，template.cpp中符号表就是空的了。

    template.h在test.cpp中被包含了，预编译阶段会进行展开，也就是说，test.cpp在编译阶段需要编译test.cpp并生成符号表，在test.o中调用了Add<int>和Add<double>，编译器在链接阶段会去找该函数的地址，但是这两个函数由于在template.cpp时没有实例化，就没有生成函数地址，template.cpp中的符号表里就没有这两个函数的地址，而test.cpp的符号表和template.cpp符号表合并时找不到该函数地址，就报链接时错误。

    事实上，类模板也是这类问题，以下是类模板的情况：

    3. 解决方法

    1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
    2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

    如下分别是第一种和第二种解决函数模板的执行结果：

    以下分别是第一种和第二种解决类模板问题的执行结果：

    我们会发现：虽然第二种可以，但是很麻烦，每实例化一个需要自己在template.cpp中显示实例化，太麻烦了，因此采用第一种方法是最佳的处理方法。

    由此，得出一个结论：

    模板不支持声明和定义分离到xxx.h和xxx.cpp中，一般放一个文件中。为了方便辨别有些地方会命名成xxx.hpp。

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