模板-初阶

引言：

在C++，我们已经学过了函数重载，这使得同名函数具有多个功能。但是还有一种更省力的方法：采用模板。

本文主要介绍以下内容

1. 泛型编程

2. 函数模板

3. 类模板

1.泛型编程

在将这一部分之前，通过一个故事引入这个知识点。假设这天你干活回家，瘫坐在沙发上，玩起来心爱的古董。当你刚碰到古董的时候，你突然穿越到了古代：三国。诸葛亮刚写了出师表，需要你一晚上誊写出1000份，第二天分发给大家观看，那你该怎么一晚上完成这么繁杂的任务呢？这时候你穿越到了现实世界，带了一个模子回去，模子上刻着字，这样只需要蘸蘸墨水把纸张放上去，便可以高效完成印刷。

可以说泛型编程就是基于这样的思想，我们只需要有一个模板，就可以完成大量的重复操作。而重复操作正是机器擅长的任务，这重复操作就交给了我们的“苦力”--编译器。

这是Swap系列的函数重载，我们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;
}
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：

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？

这时C++的一个关键字便登场了---template（模板）

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件 (即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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。

模板分为类模板与函数模板。

2. 函数模板

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。

针对上面的Swap函数，便可以利用函数模板进行操作。

函数模板格式:

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn> //用的是尖括号

返回值类型函数名(参数列表){}


template<class T>
void Swap(T& t1, T& t2)
{
	T tmp = t1;
	t1 = t2;
	t2 = tmp;
}

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)


int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	double c = 1.1;
	double d = 2.2;

	cout << "before : a = " << a << " b = " << b << endl;
	cout << "before : c = " << c << " d = " << d << endl;
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);

	cout << "after : a = " << a << " b = " << b << endl;
	cout << "after : c = " << c << " d = " << d << endl;

	return 0;
}

这是模板函数的使用，可以正常使用！

需要注意的是：这两个Swap调用的是不同的函数！

函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

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。

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。

隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

我们使用的Swap函数传参方式就是一种隐式实例化的方式。

让我们分析这两段代码。

代码一：

a c是不同的类型，因此无法对模板的使用。如果我们对c进行强转成int之后，在Swap函数内部进行引用的时候，发生了权限的放大。

这主要是强转的过程发生的。 在强转时，会生成一个临时对象，临时对象具有常性，必须用const修饰的引用才能接收！而Swap函数的参数 接收这个临时对象时，没有用const修饰，所以才会报错，这是出现了权限的放大。

代码二：

这串代码编译成功，主要是因为Add内部的参数被const修饰，因此可以完成引用传参。

当然，代码二也可以采用显式实例化去完成编译。

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

以下是显式实例化的例子：

告诉模板，统一成int

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。

对于形参没有T时，一般采用显式实例化。

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)    //注意返回类型是T1
{
 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.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

当我们实现Stack类的时候，我们用typedef int DataType;处理。但如果我们想同时利用Stack类实例化的对象st1 st2去存储int和double类型的数据，此时就会出现冲突。依次便出现了类模板。

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

};

这是stack的模板类


template<class T>	//存储的数据类型是T
class Stack
{
public:
	Stack(int capcaity = 4)
		:_capacity(capcaity)
		, _top(0)
		,_array(nullptr)
	{
		_array = new T[_capacity];		//开辟T类型的数组
	}

	void Push(const T& x)    //插入T类型的数据。普通函数别忘了写返回类型！
	{
		_array[_top] = x;
		_top++;
		//容量_capacity不需要++
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
	}
private:
	T* _array;    //类型是T
	int _top;
	int _capacity;
};

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。