我与C++的爱恋:模板初阶和STL库

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朋友们大家好，本篇文章介绍一下模版和对STL进行简单的介绍，后续我们进入对STL的学习！

一、模板

1.泛型模板

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。（无需因参数类型不同而重写代码）模板是泛型编程的基础。

例如，我们要完成交换函数

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？
在C++中存在一个摸具，可以在这个模具中填充类型，来获得不同的生成具体类型的代码
在C++中，可以使用模板（template）来实现泛型编程：
在这里插入图片描述

2.函数模板

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

函数模板可以创建一个通用的函数，该函数可以接受多种类型的参数。
格式
template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){}

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

编译器用模板实例化生成对应的函数。

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main() {
	int a = 1, b = 2;
	double c = 3.5, d = 4.1;
	swap(a, b);
	swap(c, d);
	cout << a << " " << b << endl;
	cout << c << " " << d << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

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)

2.1 函数模板的原理

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

在函数模板的调用中，编译器能通过参数类型自动推导出模板参数的具体类型，这一过程称为类型推导。
根据推导结果生成一个新的函数来调用：

	Swap(a, b);
00007FF6AAA81995  lea         rdx,[b]  
00007FF6AAA81999  lea         rcx,[a]  
00007FF6AAA8199D  call        Swap<int> (07FF6AAA812DAh)  
	Swap(c, d);
00007FF6AAA819A2  lea         rdx,[d]  
00007FF6AAA819A6  lea         rcx,[c]  
00007FF6AAA819AA  call        Swap<double> (07FF6AAA8131Bh)

这两个函数是编译器根据函数模版和需要的类型生成的，这个过程是编译器实现的

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。

2.2 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<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);
	return 0;
}

那么能这样实现吗？

Add(a1,b1);

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
此时有两种处理方式：

用户自己来强制转化
使用显式实例化

强制转换

Add(a,(int)b);
Add((double)a,b);

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()
{
   int a = 10;
   double b = 20.0;
 
   // 显式实例化
   Add<int>(a, b);
   return 0;
}

2.3 函数模板的匹配原则

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

// 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
}

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。
没有普通函数，优先匹配函数模板匹配+参数类型匹配的。
只有一个，类型转换一下也能用，也可以匹配调用。

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

// 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
}

3.类模板

template<class T>
class Stack
{
public:
    Stack(int = 10)
 : _a(new T[capacity])
 , _size(0)
 , _capacity(capacity)
 {}
	void Push(const T& x)
	{}
	~Stack();
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

Stack是类名 Stack才是类
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。

使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义

template <class T>
Stack<T>::~Stack()
{
 if(_a)
 delete[] _a;
 _top = _capacity = 0;
}

类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表。

二、STL

1.什么是STL？
STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架
发展历史：
在这里插入图片描述
STL的六大组件：
1.容器（containers）:

各种数据结构，如: vector，list，deque，set，map用来存放数据，从实现角度来看，STL容器是一种class template。

2.算法（algorithms）:

各种常用算法如sort，search，copy，erase… 从实现角度看，STL算法是一种function template。

3.迭代器（iterators）:

扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”。共有5种类型，以及其它衍生变化。从实现角度来看，迭代器是一种将operator*， operator->, operator++, operator–等相关操作予以重载的class template。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器。

4.仿函数（functors）:

行为类似函数，可作为算法的某种策略（policy），从实现的角度来看，仿函数是一种重载了operator（）的 class 或 class template。一般函数指针可视为狭义的仿函数。

5.配接器（adapters）:

一种用来修饰容器（container）或仿函数（functors）或迭代器（iterators）接口的东西。STL提供的queue和stack, 虽然看似容器，其实只能算是一种容器配接器，因为它们的底部完全借助deque，所有操作都由底层的deque供应。改变functor接口者，称为function adapter；改变container接口者，称为container adapter；改变iterator接口者，称为iterator adapter。

6.配置器（allocators）:

负责空间配置与管理，从实现角度来看，配置器是一个实现动态空间配置，空间管理，空间释放的class template。
在这里插入图片描述