template—模板初阶（C++）

本篇将会对 Cpp 中的模板进行一个简单的介绍（后序还关系模板进阶，对模板的内容进行更深入的讲解），其中包括模板的使用：函数模板、类模板，以及对于泛型编程的理解。其中的重点为函数模板，介绍了函数模板的原理、隐式实例化和显示实例化、还有模板参数的匹配规则。目录如下：

目录

1. 泛型编程

2. 函数模板

2.1 函数模板的格式

2.2 函数模板原理

2.3 函数模板的实例化

2.4 模板参数的匹配规则

3. 类模板

1. 泛型编程

通常我们在实现一个 Swap 函数的时候，对于不同参数类型的 Swap 函数，我们需要写很多个重载函数来解决这个 Swap 函数的问题，但是当我们遇到一个新的形参类型的时候，我们有需要重新写一个新的重载函数，那么我们有没有其他的办法来解决该问题呢？

我们可以使用模板，只提供一个函数，就可以以上问题，不在需要写很多的重载函数。模板的出现，开辟了泛型编程的道路 ---> 也就为之后的 STL 打下了基础。

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）

如下：
// 函数重载的 Swap 函数
void Swap(double& x, double& y) {
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void Swap(int& x, int& y) {
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void Swap(char& x, char& y) {
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

// Swap 的模板代码
template <typename T>
void Swap(T& x, T& y) {
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

2. 函数模板

对于函数模板的使用，存在很多的细节，将会在下面较为详细的列举。

首先是对于函数模板的概念：函数模板代表了一个函数家族，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。

2.1 函数模板的格式

函数模板格式如下：
template<typename T1, typename T2, ..., typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}
注：typename 是用来定义模板参数的关键字，也可以使用 class ，但不能使用 struct 作为定义模板参数的关键字。

样例如下：
template <typename T1, typename T2>
void Swap(T1& x, T2& y) {
	T1 tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

2.2 函数模板原理

函数模板本身是一个蓝图，本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型的函数模具。其实模板就是将本应该由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，编译器根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以提供调用，如：当使用 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，对于内置类型同样如此。如下的反汇编：

如上，我们在汇编层面可以看见，执行到需要运行的函数时，函数模板会自动的推演函数参数类型。推理过程如下：

2.3 函数模板的实例化

当我们使用不同类型的参数使用函数模板的时候，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显示实例化，如下：

对于模板参数而言，只存在一个 T，而这个时候，我们将 int 类型的 a1 和 double 类型的 d2 传入到函数之中去，函数模板无法推断我们需要使用的函数是 int 类型的还是 double 类型，所以编译器会报错。解决以上问题一共有两种办法，分别是隐式转化和显示转化，如下：

如上，红框圈住的为隐式实例化：隐式实例化让编译器根据实参推演模板参数的实际类型，我们可以在传入的参数中将其强转，已到达实参的类型相同。

蓝框圈住的为显式实例化：显式实例化在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型，这样可以将传入的所有类型都转换为 <> 中的类型。

注：对于显示实例化和隐式实例化而言，当函数中确实存在类型的强转：在强转的时候会产生一个临时变量，而对于该临时变量而言是一个不可以修改的值，所以我们需要使用 const 对其进行修饰，若不使用 const 对其进行修饰，那么就会报错，所以说，这样的显式实例化和隐式实例化就不能用在 Swap 函数中，因为 Swap 函数中的参数需要交换，为需要改变的值，其中产生的临时变量与其函数参数不匹配，就会报错。

2.4 模板参数的匹配规则

对于模板参数的匹配存在以下原则：

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且函数模板也可以被实例化为这个非模板函数，如下：

当调用的函数与非模板函数匹配的时候，编译器不要使用模板进行特化，直接调用存在的函数，但是我们也可以调用模板函数，只需要在函数名后的 <> 添加对应的类型即可，就算已经存在对应的函数，我们仍然可以调用其模板函数。

2. 对于非模板函数和同名函数模板，若其他条件都相同，在调用时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生一个实例。若模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么我们可以选择模板。如下：

简单来说，会优先匹配已经存在的非模板函数，若没有，则在匹配模板函数。

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。

3. 类模板

对于类模板而言，类模板的定义格式如下：
template<typename T1, typename T2, ..., typename Tn>
class classname{
    // 类成员定义
};
如一个栈模板：
template <class T>
class Stack {
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new T[capacity])
		, _size(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	~Stack();

	void Push(T x){}
	void Pop() {}
	T GetTop(){}
private:
	T* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

// 当模板中函数放在类外定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Stack<T>::~Stack() {
	delete[] _a;
	_size = 0;
	_capacity = 0;
	_a = nullptr;
}

int main() {
	Stack<int> s1;
	Stack<double> s2;
	return 0;
}
对于以上的类模板的使用，我们可以发现，类模板更便于我们使用不同自定义类型的类，如我们可以定义出 double 类型的 stack，也可以定义出 int 类型的 stack。当我们需要在类外对类函数进行定义的时候，我们需要按照一定的形式。