【爱上C++】函数模板 (1)
目录
- 一 泛型编程
- 1.定义
- 2. 引入
- 二 函数模板
- 1. 函数模板的概念
- 2. 函数模板的格式
- 3.函数模板的原理
- 4.函数模板的实例化
- 5.显式实例化
- 6.模板参数的匹配原则
- 三 类模板
- 1.类模板的定义格式
- 2.类模板的实例化
一 泛型编程
1.定义
泛型编程（Generic Programming）是一种编程范式，它旨在编写与数据类型无关的代码。通过这种方式，程序员可以编写出灵活且可重用的代码，这些代码可以对不同类型的数据进行操作，而无需为每种数据类型编写特定的代码。泛型编程主要依赖于模板（Templates）来实现，模板是一种允许程序员在一种类型不确定的情况下，编写通用的代码。
2. 引入
C语言中想要实现两个数进行交换可以用 异或，或者用临时变量tmp。
比如我们想要交换a，b的值，可以用一个Swap函数
void Swap(int *a,int *b) {//用指针的方法 int tmp=*a; *a=*b; *b=tmp; } void Swap1(int& a,int &b) {//用引用的方法 int tmp=a; a=b; b=tmp; } int main() { int a=0,b=1; Swap(&a,&b); return 0; } 但是如果我又想要交换两个double类型的变量，怎么办？再写一个double* 的Swap？那我又想要交换char类型的呢？是不是还要写，这样是不是很麻烦。哎！我们前面学了函数重载，但如果再有一种类型是不是还要再写一遍？
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？
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。
这时 函数模板就派上用场了。
二 函数模板
1. 函数模板的概念
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. 函数模板的格式
template 即：返回值类型 函数名(参数列表){}
例如：
template void Swap(T& left,T& right)//注意right不要写错啦，刚刚就写错了 { T tmp=left; left=right; right=tmp; } int main() { int a=1,b=2; double c=3.0,d=4.0; char e='x',f='y'; Swap(a, b); Swap(c, d); Swap(e, f); cout< 注意
- template 是定义模板的关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)。后面跟的是尖括号 < >
- typename 是用来定义模板参数的关键字
- T 是函数名，可以自己取
函数模板不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实际参数决定其功能
❓再仔细思考，以上这三个Swap调用的是同一个函数吗？
答案：不是！但是调用的是同一个函数模板。调用Swap(a, b);时，编译器会为int类型实例化一个Swap函数。调用Swap(c, d);时，编译器会为double类型实例化一个Swap函数，以及当你调用Swap(e, f);时，为char类型实例化一个。尽管这些实例化的函数在内部处理不同类型的数据，但它们都是从同一个函数模板生成的。
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。
4.函数模板的实例化
- 概念：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
来看看以下代码
tmplate T Add(const T& left,const T& right) { return left+right } int main() { int a=1,b=0; double c=1.0,b=2.0; Add(a,b); Add(c,d); return 0; } 
无法运行，编译器报错
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
Add(a1, d1);这样写就不行 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(a, (int)d); //强制类型转换 5.显式实例化
- 概念：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 = 20.13; cout << Add(a, b) << endl; cout << Add(a, b) << endl; return 0; } 
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。
像 double 和 int 这种相近的类型，是完全可以通过隐式类型转换的。
6.模板参数的匹配原则
- 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
//普通函数 int Add(int left, int right) { return left + right; } // 函数模板 template T Add(T left, T right) { return left + right; } int main() { // 匹配调用原则： // 1、合适匹配的情况下，有现成的就吃现成 // 2、没有就将就吃 // 3、有更合适就吃更合适的，哪怕要自己现做 cout<(1,2)< 
看看这个代码是否运行的了？
template T* func(int n) { return new T[n]; } int main() { //func(10); func(10); return 0; } - 答案是否。
模板函数 func 的调用中，没有提供足够的信息来让编译器推断出 T 的类型。在模板函数 func 的定义中，T 只出现在返回类型中，而函数的参数列表中并没有包含 T 类型的参数。因此，当编译器看到 func(10) 这样的调用时，它无法仅根据整数参数 10 来推断出 T 应该是什么类型。整数可以与任何类型的数组大小相匹配，所以不足以确定 T。
所以修改为
func(10); - 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 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 } - 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
在 C++ 中，模板函数不允许自动类型转换，这是因为模板函数的参数类型是在编译时确定的，而编译器无法在编译时确定如何进行类型转换。相反，普通函数可以进行自动类型转换，因为它们的参数类型是明确的，编译器可以根据需要执行类型转换。
void swap(int& a, int& b) { int temp = a; a = b; b = temp; } // 模板函数不支持自动类型转换 template void swapTemplate(T& a, T& b) { T temp = a; a = b; b = temp; } int main() { int x = 5; double y = 3.14; cout << "Before swapping: x = " << x << ", y = " << y << endl; // 使用模板函数尝试交换 x 和 y 的值，会导致编译错误 swapTemplate(x, y); cout << "After swapping: x = " << x << ", y = " << y << endl; return 0; } 
定义和声明分离：
也可以声明定义分离，不同的是模板参数声明定义都要给
另外：
将模板的声明和定义分别放在不同的文件中（例如，声明在头文件中，定义在实现文件中）会导致链接时问题
三 类模板
1.类模板的定义格式
- 引入
比如下面的Stack类，如果我们指定它是int，那就是存整型的栈，如果把int改为double就是存double类型的栈，在之前也可以用typedef来解决
class Stack { public: Stack(int capacity = 4) : _top(0) , _capacity(capacity) { _arr = new int[capacity]; } ~Stack() { delete[] _arr; _arr = nullptr; _capacity = _top = 0; } private: int* _arr; int _top; int _capacity; }; 但最大的问题是不能同时存储两个类型
int main() { Stack st1;//我们想存int数据 Stack st2;//我们想存double数据 return 0; } 只能写两个栈，除了类型不一样其他都差不多，很麻烦。函数能用模板，类也能，下面就来讲解一下类模板。
- 格式
template class 类模板名 { // 类内成员定义 }; 这样就能解决以上的问题
template class Stack { public: Stack(T capacity = 4) : _top(0) , _capacity(capacity) { _arr = new T[capacity]; } ~Stack() { delete[] _arr; _arr = nullptr; _capacity = _top = 0; } private: T* _arr; int _top; int _capacity; }; int main(void) { Stack st1; // 存储int Stack st2; // 存储double return 0; } 
可是为什么会报错呢？接着看
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。
类名<类型> 变量名;
这样之后才对
Stack st1; // 指定存储int Stack st2; // 指定存储double - 注意！！！
- 普通类：类名就是类型
类模板实例化的类：类名不是类型，类名<数据类型> 才是整个类的类型类名<类型> - 显示实例化的类型不同，他们就是不同的类。st1 = st2; 这样写就是错的。
- 类模板中的函数在类外定义的时候需要加上 模板参数列表，以及 用类型指明类域
下面用以下的代码解释注意事项
template class Stack { public: //构造函数 (函数名和类名相同，不是类型名) 不写Stack<> Stack(int n = 4);//声明 ~Stack() { cout << "~Stack" << endl; delete[] _a; _a = nullptr; _top = _capacity = 0; } void Push(const T& x) { //... } private: T* _a; int _top; int _capacity; }; //声明和定义分离的话要这样写（也不能放到两个文件，只能放到一个文件里，至于为何模板进阶的时候会讲） //定义 template //←记得加模板参数列表 Stack::Stack(int n) // 要指定 属于这个类域 { cout << "Stack(int n=4)" << endl; _a = new T[n]; _top = 0; _capacity = n; } int main() { // 类模板都是显示实例化 Stack st1; Stack st2; return 0; } 函数模板的进阶内容留到后面 函数模板(2)进行讲解。
最后的最后，创作不易，希望读者三连支持💖
赠人玫瑰，手有余香💖