C++模板初阶

在之前的代码实现当中当我们要让一个函数能处理不同类型的数据时就只能使用函数重载，并且在此数据的类型还必须是我们重载的函数内拥有的，否则就无法实现。在之前实现顺序表、链表等数据结构时我们使用的是typedef来重命名数据结构内的数据类型，这种方式其实是存在缺陷的，例如这种方法就无法让我们同时实例化出两个内部数据类型不相同的顺序表。那么为了解决以上这些问题在本篇当中我们就将初步学习了解模板的概念和使用，在此包括函数模板和类模板，通过使用模板我们以上的这些问题将迎刃而解，接下来解开始本篇的学习吧！

---

1.泛型编程

在我们之前的学习当中要实现一个交换函数swap要实现不同类型数据之间的交换我们使用的是函数重载，就例如以下所示：

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;
}
//……

虽然使用以上的方法也能实现不同类型数据的交换，但是这时会存在以上的问题：
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

那么我们该如何解决以上的问题呢？

我们知道在铸造钢铁的物品时现代都是使用一个模具只要将铁水浇筑到模具当中就可以创造出一个新的元件，在这个过程当中我们使用了模具大大提升了效率

那么根据现实的模具使用在程序代码中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？

答案是可以的，在此的模具就是我们在本篇当中要学习的模板，并且模板分为函数模板和类模板。在此模板就是一种泛型编程

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。

2.函数模板

2.1 函数模板概念以及格式

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。

模板格式：
在此学习模板我们要新了解一个关键字template，模板的格式就是template后加<> ，<>内使用typename或者class来实现(切记：不能使用struct代替class)，在此在typename或者class之后就是类型；该名字没要求但我们一般定义为T。在<>中的类型可以有多个

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

例如以上的swap函数使用模板后就变为以下形式

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

2.2函数模板的原理

在了解函数模板如何使用后接下来我们就来学习函数模板的原理：

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

当我们形参为不同类型时，模板就会根据参数的类型实例化出不同的函数，例如在以上的Swsap函数模板中参数类型不同就实例化出不同的函数

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。

2.3 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。

2.3.1隐式实例化

在此隐式实例化是指让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

例如以下示例： 

#include <iostream>
#include <iterator>
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 x = 1.1, y = 2.2;
Swap(a, b);
Swap(x, y);
}

在以上代码中当函数的参数类型都相同时，编译器会直接根据参数将函数的模板实例化出相应的函数，但如果我们传的函数参数类型不同时就会出现编译器无法确定T的类型

例如以下示例：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

要解决以上问题我们有两种解决的方法，第一种是我们自己来强制转换，例如以上示例就可按照以下方式解决

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
int a = 1, b = 2;
double x = 1.1, y = 2.2;

Swap(a, (int)y);
    return 0;

}

在以上就是将变量y强制类型转换为int，这样来通过自己来强制类型转换来解决编译器在使用模板实例化出相应函数数据类型不确定的问题，但在此在转换过程中会产生临时变量，由于临时变量具有常性，因此在模板函数的形参要加上const变为const引用，这样就不会出现权限放大的问题

 

2.3.2 显式实例化

在解决以上编译器无法确定数据的类型时第二种的解决方法就是显示实例化，显式实例化是在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

例如以上示例按照显示实例化就为以下形式：

#include <iostream>

using namespace std;

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

int main()
{
int a = 1, b = 2;
double x = 1.1, y = 2.2;

Add<int>(a, y);
Swap<int>(a, y);
    return 0;
}

 

在以上的示例当中都是可以使用显示实例化也可以用隐式实例化，但在一种情况下就必须要用到显示实例化，那就是当函数中的参数未使用函数模板对应的数据类型

例如以下示例：

#include <iostream>

using namespace std;

template<typename T>
T* Func1(size_t n)
{
return new T[n];
}

int main()
{
Func1<double>(10);

return 0;
}

 

其实在以上的代码中我们实现的交换两个数据的函数在C++中的std命名空间中已经实现了

swap - C++ Reference (cplusplus.com) 

 该函数名为swap，通过以上的文档就可以看出该函数也是使用了函数模板来实现的

 

2.5 模板参数的匹配原则 

当我们使用创建了模板函数时会有以下的几个原则

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

 

例如以下示例：

// 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
}

在以上代码中我们就是创建一个专门处理int的加法函数之后还使用模板创建一个通用的函数，那么在这种情况下当我们要调用要用编译器使用模板实例化出的函数就在调用函数时在括号前加上<int>通过显示调用即可

 

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

 

例如以下示例：

#include <iostream>

using namespace std;

// 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;
}


int main()
{
cout<<Add(1, 2)<<endl;
cout << Add<int>(1, 2) << endl;
cout<<Add(1.1, 2.1)<<endl;

return 0;
}

在以上代码中我们在调用Add函数时当实参类型为int时默认调用的是非模板函数，在以上代码中的第一条cout语句中就是调用了非模板函数。但当参数匹配时一定要调用模板来生成函数时就需要使用到函数模板的显示实例化，在以上代码中的第二条cout语句就是使用了显示示例化出函数。当调用函数时参数不与非模板参数的类型匹配时就会直接通过函数模板来实例化出相对应的函数

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 

3.1 类模板的定义格式

在类模板当中使用和函数模板类似，但在类模板中定义模板参数的关键字通常用的时class

template<class T1, class T2, ..., class Tn>

 

例如以下示例：

#include <iostream>

using namespace std;

typedef int STDatatype;
class Stack
{
public:

Stack(size_t n = 4)
{
_a = new STDatatype[n];
_capacity = n;
_size = 0;
}
~Stack()
{
delete(_a);
_capacity = 0;
_size = 0;
}


private:
STDatatype* _a;
int _size;
int _capacity;
};

在之前实现栈中我们使用的是typedef来重命名栈中存储的数据类型，这样来实现修改typedef之后的类型就可以实现不同类型栈的创建。但在这种方式就存在一点不足就是若我们要在同一个程序中向后实例化出int和double数据类型的栈，那么使用typedef就无法实现了，在此要解决这种情况就要使用到类模板了

以上栈的代码使用类模板后就变为以下形式：

#include<iostream>

using namespace std;


//typedef int STDatatype;
template<class T>
class Stack
{
public:

Stack(size_t n = 4)
{
_a = new T[n];
_capacity = n;
_size = 0;
}
~Stack()
{
delete(_a);
_capacity = 0;
_size = 0;
}


private:
T* _a;
int _size;
int _capacity;
};


int main()
{
Stack<int> s1;
Stack <double>s2;

 return 0；
}

在以上代码中就先定义一个模板参数T，之后将类Stack中的数据类型都修改为T，在此之后在实例化出类对象时就可以根据用户输入的数据类型来显示实例化类对象

注：在使用类模板时和函数模板不同不存在隐式实例化，只能在实例化对象时显示实例化

在此在类模板中还有一个要注意的点是：在使用类模板后不建议声明和定义分离到两个文件，这样会出现链接错误。并且在将类的成员函数声明的定义分离需要在定义函数时在函之前再次声明模板参数，还要在函数所表示的类域之后加上模板参数

例如以上的类模板要加上尾插的函数并且将函数声明域定义分离就变为以下形式：

#include <iostream>

using namespace std;

template<class T>
class Stack
{
public:

Stack(size_t n = 4)
{
_a = new T[n];
_capacity = n;
_size = 0;
}
~Stack()
{
delete(_a);
_capacity = 0;
_size = 0;
}
void STPush(const T& x);


private:
T* _a;
int _size;
int _capacity;

};

template<class T>
void Stack<T>::STPush(const T& x)
{
    //……
    _a[size++] = x;
}

int main()
{
Stack<int> s1;
Stack <double>s2;


return 0；
}

3.2 类模板的实例化

注意：在类模板的实例化中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。

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1;    // int
Stack<double> st2; // double

以上就是本篇的全部内容了，希望能得到你的点赞、收藏！

原文地址：https://blog.csdn.net/2303_81098358/article/details/142333844

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！