C++ 模板保姆级详解——template＜class T＞(什么是模板？模板分哪几类？模板如何应用？)

一、前言

二、什么是C++模板

💦泛型编程的思想

💦C++模板的分类

三、函数模板

💦函数模板概念

💦函数模板格式

💦函数模板的原理

💦函数模板的实例化

🍎隐式实例化

🍉显式实例化

💦模板支持多个模板参数

💦模板参数的匹配原则

四、类模板

💦类模板的概念

💦类模板格式

💦类模板的实例化

💦类模板的分离编译

五、总结

六、共勉

一、前言

在我们学习C++时，常会用到函数重载。而函数重载，通常会需要我们编写较为重复的代码，这就显得臃肿，且效率低下。重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数。此外，代码的可维护性比较低，一个出错可能会导致所有的重载均出错。

那么，模板的出现，就让这些问题有了解决方案，所以本次博客将为大家详细的讲解C++的模板！！

二、什么是C++模板

程序设计中经常会用到一些程序实体：它们的实现和所完成的功能基本相同，不同的仅仅是所涉及的数据类型不同。而模板正是一种专门处理不同数据类型的机制。

模板------是泛型程序设计的基础（泛型generic type——通用类型之意）。

函数、类以及类继承为程序的代码复用提供了基本手段，还有一种代码复用途径——类属类型（泛型），利用它可以给一段代码设置一些取值为类型的参数（注意：这些参数的值是类型，而不是某类型的数据），通过给这些参数提供一些类型来得到针对不同类型的代码。

💦泛型编程的思想

首先我们来看一下下面这三个函数，如果学习过了C++函数重载和 C++引用的话，就可以知道下面这三个函数是可以共存的，而且传值会很方便
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;
}
但是真的很方便吗？这里只有三种类型的数据需要交换，若是我们需要增加交换的数据呢？再CV然后写一个函数吗？
这肯定是不现实的，所以很明显函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那是否能做到这么一点，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

⭐总结：
所以，总结上面的这么一个技术，C++的祖师爷呢就想到了【模版】这个东西，告诉编译器一个模子，然后其余的工作交给它来完成，根据不同的需求生成不同的代码

这就是👉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

💦C++模板的分类

1️⃣: 函数模板（function tempalte）：使用泛型参数的函数（function with generic parameters）

2️⃣:类模板（class template）：使用泛型参数的类（class with generic parameters）

三、函数模板

知晓了模版的基本概念后，首先我们要来看的就是【函数模版】

💦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
通过函数模板，可以编写一种通用的函数定义，使其能够适用于多种数据类型，从而提高代码的复用性和灵活性。

💦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)
{
    //……
}
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)

因此，交换函数就可以这样套用模板：

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

int main()
{
	
	int x = 2, y = 3;
	cout << x << " " << y << endl << endl;
	Swap(x, y);
	cout << x << " " << y << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;

	char a = 'a', b = 'b';
	cout << a << " " << b << endl << endl;
	Swap(a, b);
	cout << a << " " << b << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;


	double c = 2.1, d = 3.1;
	cout << c << " " << d << endl << endl;
	Swap(c, d);
	cout << c << " " << d << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;
	return 0;
}

我们通过这个函数模版，分别传入不同数据类型的参数，通过结果的观察可以发现这个函数模版可以根据不同的类型去做一个自动推导，继而去起到一个交换的功能。

💦函数模板的原理

💬 那我现在想问一个问题，请问它们调用的真的是同一个函数吗？
当然不是，这里我们三次Swap不是调用同一个函数，其实Swap的时候根据不同的类型通过模板定制出专属你的类型的函数，然后再调用，这里可以通过反汇编观察到：

可以发现，在进行汇编代码查看的时候，被调用的函数模版生成了两个不同的函数，它们有着不同的函数地址，因此可以回答上一小节所提出的问题了，两次所调用的函数是不一样的，是根据函数模版所生成的

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。

补充：

其实库里面有一个swap函数，因此我们也不需要自己写模板了：

直接套用swap即可：

int main()
{
	
	int x = 2, y = 3;
	cout << x << " " << y << endl << endl;
	swap(x, y);
	cout << x << " " << y << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;

	char a = 'a', b = 'b';
	cout << a << " " << b << endl << endl;
	swap(a, b);
	cout << a << " " << b << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;


	double c = 2.1, d = 3.1;
	cout << c << " " << d << endl << endl;
	swap(c, d);
	cout << c << " " << d << endl << endl;
	cout << "-------------------------------" << endl;
	return 0;
}

💦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：
1️⃣: 隐式实例化 2️⃣: 显式实例化

🍎隐式实例化

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<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); //编译器推出T是int
	Add(d1, d2); //编译器推出T是double
    return 0;
}

⚠ 注意：但是我调用的时候如若这样就会出错：

int main()
{
    int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, d1); //err 编译器推不出来
	/*
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
    */
}

此时我们发现在模板函数里面,形参不匹配，就会出现报错

编译器无法确定这里的T到底是int还是double。此时有两种处理方式：

法一：用户自己来强制转化

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    Add(a1, (int)d1); //强制类型转换。或者Add((double)a1, d1);
}

法二：使用显式实例化
接下来进行讲解。

🍉显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

继刚才的例子，法二：使用显式实例化
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;
    //显示实例化
	Add<int>(a1, d1); //double隐式类型转换成int 
	Add<double>(a1, d2); 
    return 0;
}