C++---关于模板的那些事

2023-12-13 04:49:35

一、模板概念

我们在之前再写交换两个整形时，最简单的方法就是创建一个整形变量来进行交换，就像这样：

void Swap(int* x, int* y) {
	int tmp = *x;  
	*x = *y;      
	*y = tmp;     
}
 
int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	Swap(&a, &b);  
	return 0;
}

但如果，我们此时要比较另一种类型元素呢，那该不会还得再写一个其他类型的比较函数吧
那能不能写一个通用的swap函数呢
首先可能会想到函数重载，但是函数重载不还是要写很多函数嘛？
那我们可不可以像根据图纸建造房子一样画一张swap图纸呢？
当然可以，这就是C嘎嘎里的模板，C嘎嘎祖师爷明显想到了这一点，所以已经给我们提供了模板，供我们使用

二、泛型编程概念

编写与类型无关的调用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

三、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。

1. 函数模板格式

template<typename T1,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

下面我们来利用模板写一下上面的swap函数

//模板参数列表
template<typename T>
//函数参数列表
void Swap(T& x, T& y) {
	T tmp = x;  
	x = y;      
	y = tmp;     
}

这里用T是因为它是type的首字母，有助于理解，读者可以随自己心意去改动

这里要注意
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

2.函数模板实例化

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

我们此时写一个Add函数来研究一下

template<class T>
T Add(const T& x, const T& y) {
	return x + y;
}
 
int main(void)
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	cout << Add(a1, a2) << endl;
	cout << Add(d1, d2) << endl;
 
	return 0;
}

在这里插入图片描述
但如果我们是int(a1)类型加double(d1)类型呢

在这里插入图片描述
是啊，一个T怎么能推出来两种类型呢
那我们要怎么解决呢？

①.用户自己强制类型转换

template<class T>
T Add(const T& x, const T& y) {
	return x + y;
}
 
int main(void)
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	cout << Add((double)a1, d1) << endl;
 
	return 0;
}

在这里插入图片描述

②.写两个参数T1 , T2

template<class T1,class T2>
T2 Add(const T1& x, const T2& y) {
	return x + y;
}
 
int main(void)
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	cout << Add(a1, d1) << endl;
	return 0;
}

这里我们返回T2类型结果
在这里插入图片描述

③.显式实例化

Add<int>(a1, d1);     // 指定实例化成int
Add<double>(a1, d1)   // 指定实例化成double

下面，我们来详细讲一下显式实例化

②.显式实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
这里我们继续讨论上面的Add例子

template<class T>
T Add(const T& x, const T& y) {
	return x + y;
}
 
int main()
{
	int a1 = 1, a2 = 2;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	cout << Add(a1, d1) << endl;
 
	cout << Add<int>(a1, d2) << endl; 
	cout << Add<double>(a1, d2) << endl;  
 
	return 0;
}

在这里插入图片描述
这里编译器进行了隐式类型转换
总之：
函数模板你可以让编译器自己推，但是也可以自己显示实例化

③.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

// 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); // 这里不需要特化，直接调用第一个Add
 Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

这里Add(1,2)不需要特化，因为有针对int的Add函数
而Add(1,2)需要调用编译器特化的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

// 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
}

这里第一句同上
针对第二个调用Add函数语句，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

四、类模板

比如我们这里写一个Stack类，但是如果用的是int，那么还会和上面一样问题

可能有的朋友会说利用typedef修改类型名称，但是这样做不能彻底解决此类问题，比如我们要是同时存储两个类型，你总不能用typedef了吧

类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名 {
    类内成员定义
}

这里我们利用类模板来简略的写一个Stack

template<class T>
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()
{
	Stack st1; 
	Stack st2;  
	return 0;
}

在这里插入图片描述

由此可见，类模板并无法像函数模板一样自己推，所以我们要用显示实例化来实例化类模板

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。

类模板显示实例化

Stack<int> s1;
Stack<double> s2;

在这里插入图片描述

五、非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。
类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。
非类型形参，就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。

namespace zx
{
 // 定义一个模板类型的静态数组
 template<class T, size_t N = 10>
 class array
 {
 public:
 T& operator[](size_t index){return _array[index];}
 const T& operator[](size_t index)const{return _array[index];}
 
 size_t size()const{return _size;}
 bool empty()const{return 0 == _size;}
 
 private:
 T _array[N];
 size_t _size;
 }；
}

这里我们使用了一个常量N作为参数
注意：
1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

在这里插入图片描述

六、模板的特化

概念

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;
}
int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
 Date d1(2023, 12, 5);
 Date d2(2023, 12, 6);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
 return 0;
}

可以看到，Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

函数模板特化

函数模板的特化步骤：
1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}
int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl;
 Date d1(2023, 12, 5);
 Date d2(2023, 12, 6);
 cout << Less(d1, d2) << endl;
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
 return 0;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

bool Less(Date* left, Date* right)
{
 return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

类模板特化应用示例

#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
 bool operator()(const T& x, const T& y) const
 {
 return x < y;
 }
};
int main()
{
 Date d1(2023, 12, 4);
 Date d2(2023, 12, 5);
 Date d3(2023, 12, 6);
 vector<Date> v1;
 v1.push_back(d1);
 v1.push_back(d2);
 v1.push_back(d3);
 // 可以直接排序，结果是日期升序
 sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());
 vector<Date*> v2;
 v2.push_back(&d1);
 v2.push_back(&d2);
 v2.push_back(&d3);
 
 // 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
 // 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
 // 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
 sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
 return 0;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为：sort最终按照Less模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
 bool operator()(Date* x, Date* y) const
 {
 return *x < *y;
 }
};
//此时即可得到正确答案

七、模板的分离编译

什么是分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。

模板的分离编译

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
 return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
 Add(1, 2);
 Add(1.0, 2.0);
 
 return 0;
}

在这里插入图片描述

解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

八、模板总结

优点：
1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生
2. 增强了代码的灵活性

缺点：
1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

文章来源:https://blog.csdn.net/2301_80190376/article/details/134840849
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C++---关于模板的那些事

文章目录

一、模板概念

二、泛型编程概念

三、函数模板

1. 函数模板格式

2.函数模板实例化

①.隐式实例化

②.显式实例化

③.模板参数的匹配原则

四、类模板

类模板的格式

类模板显示实例化

五、非类型模板参数

六、模板的特化

概念

函数模板特化

类模板特化应用示例

七、模板的分离编译

什么是分离编译

模板的分离编译

解决方法

八、模板总结