【C++】：模板初阶和STL简介

一，泛型编程
二，函数模板
- 2.1 函数模板概念
- 2.2 函数模板格式
- 2.3 函数模板的原理
- 2.4 函数模板的实例化
- 2.5 模板参数的匹配原则
三，类模板
- 3.1 类模板的定义格式
- 3.2 类模板的实例化
四，STL简介（了解）
- 4.1 什么是STL
- 4.2 STL的版本
- 4.3 STL的六大组件

一，泛型编程

在C语言中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;
}

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？

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。

在这里插入图片描述

二，函数模板

2.1 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。

2.2 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){}

使用方法如下：

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

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)

2.3 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。

在这里插入图片描述
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。

2.4 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。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。

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;
	 
	 //隐式实例化
	 Add(a1, a2);
	 Add(d1, d2);
	
	 Add(a1, d2);//err 推演失败

	 // 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(a1, (int)d2);//OK
	 
	 return 0;
 }

2.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;
}

2.5 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。

// 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
}

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
}

三，类模板

3.1 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
};

下面拿顺序表来举例：

// 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;
}

3.2 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<int>才是类型
 Vector<int> s1;
 Vector<double> s2;

四，STL简介（了解）

4.1 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。

4.2 STL的版本

原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。
P. J. 版本
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。
RW版本
由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
SGI版本
由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。