C++提高编程—01.函数模板

一、函数模板

1.1 函数模板

C++ 提供两种模板机制：函数模板和类模板

1.2 函数模板语法

建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

template<typename T>
// 函数声明或定义

• template：声明创建模板
• typename：表名其后面的符号是一种数据类型，可用 class 代替
• T：通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

1.3 函数模板示例

// 交换整形函数
void swapInt(int &a,int &b){
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
// 交换浮点型函数
void swapDouble(double &a,double &b){
    double temp = b;
    a = b;
    b = temp;
}
// 利用模板提供通用的交换函数
template<typename T>
void mySwap(T &a,T &b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

void test01(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    // 利用模板实现交换
    // 1、自动类型推导
    mySwap(a,b);
    
    // 2、显示指定类型
    mySwap<int>(a,b);
    
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
}

int main(){
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

1.4 总结：

• 模板函数利用关键字 template
• 使用模板函数有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
• 模板的目的是为了提高复用性、将类型参数化

1.5 函数模板注意事项

• 自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T，才可以使用
• 模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用

// 利用模板提供通用的交换函数
template<class T>
void mySwap(T& a,T& b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
// 1、自动类型推导，必须推导出一致的数据类型 T,才可以使用
void test01(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    char c = 'c';
    mySwap(a,b);	// 正确：可以推导出一致的T
    mySwap(a,c);	// 错误：推导不出一致的T类型
}
// 2、模板必须要确定出 T 的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func(){
    cout << "func 调用" << endl;
}
void test02(){
    //func();		// 错误：模板不能独立使用，必须确定出 T 的类型
    func<int>();	// 利用显示指定类型的方式，给 T 一个类型，才可以使用该模板
}
int main(){
    test01();
    test02();
    system("pause");
    return 0;
}

1.6 函数模板案例

案例描述：

利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序

排序规则从大到小，排序算法为选择排序

分别利用 char 数组和 int 数组进行测试

#include <iostream>
using namespace std;

// 交换模板函数
template<typename T>
void mySwap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

// 利用选择排序的模板函数，对数组进行从大到小的排序
template<typename T>
void selectionSort(T arr[],int len) {
    int minIndex;
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < len; ++j) {
            if (arr[minIndex] < arr[j]) {
                minIndex = j;
            }
            mySwap(arr[i], arr[minIndex]);
        }
    }
}
template<typename T>
void Print(T arr[],int len) {
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}


// 测试int类型数组
void test01() {
    int intArr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);
    cout << "对数组进行选择排序  前：";
    Print(intArr, num);
    selectionSort(intArr, num);
    cout << "对数组进行选择排序  后：";
    Print(intArr, num);
    cout << "-------------------------------" << endl;
}

// 测试char类型数组
void test02() {
    char charArr[] = "abcdefghi";
    int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);
    cout << "对数组进行选择排序  前：";
    Print(charArr, num);
    selectionSort(charArr, num);
    cout << "对数组进行选择排序  后：";
    Print(charArr, num);
}
int main() {
    test01();
    test02();
    system("pause");
    return 0;
}

1.7 普通函数与函数模板的区别

• 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
• 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
• 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换

// 普通函数
int myAdd01(int a,int b){
    return a+b;
}

// 函数模板
template<typename T>
T myAdd02(T a,T b){
    return a+b;
}

void test01() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    char c = 'c';
    cout << myAdd01(a,c) << endl;	// 正确：将char类型的'c'隐式转换为int类型 'c'对应 ASCII码 99
    // myAdd02(a,c);				// 错误：使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换
    myAdd02<int>(a,c);				// 正确：如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}

int main(){
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

总结：建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T

1.8 普通函数和函数模板的调用规则

• 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
• 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
• 函数模板也可以发生重载
• 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板

总结：既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性

// 普通函数与函数模板调用规则
void Print(int a,int b) {
    cout << "调用的普通函数" << endl;
}

template<class T>
void Print(T a, T b){
    cout << "调用的函数模板" << endl;
}

template<class T>
void Print(T a, T b, T c){
    cout << "调用的重载函数模板" << endl;
}

void test01(){
    // 1、如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
    // 注意：如果告诉编译器 普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到.
    int a = 10;
    int b = 20;
    Print(a,b);			// 调用普通函数
    
    // 2、可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
    Print<>(a,b);		// 调用函数模板
    
    // 3、函数模板也可以发生重载
    int c = 30;
    Print(a,b,c);		//调用重载的函数模板
    
    // 4、 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
    char c1 = 'a';
    char c2 = 'b';
    Print(c1,c2);		// 调用函数模板
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

1.9 模板的局限性

1.9.1 传入数组可能失效

template<class T>
void f(T a, T b){
    a = b;
}

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的 a 和 b 是一个数组，就无法实现了

1.9.2 传入自定义数据类型可能失效

template<class T>
void f(T a, T b){
    if(a > b) {...}
}

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像 Person 这样的自定义数据类型，也无法正常运行

因此，为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

1.10 具体化的模板示例

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Person {
  public:
    Person(string name,int age) {
        this->m_Name = name;
        this->m_Age = age;
    }
  private:
    string m_Name;
    int m_Age;
};

// 普通函数模板
template<class T>
bool myCompare(T &a,T &b){
    if(a == b) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}
// 具体化：显示 具体化的原型和定义是以template<>开头，并通过名称来指出类型
// 具体化优先于常规模板
template<>bool myCompare(Person &p1,Person &2){
    if(p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

void test01(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    // 内置数据类型可以直接使用通用的函数模板
    bool ret = myCompare(a , b);
    if(ret) {
        cout << "a == b" << endl;
    } else {
        cout << "a != b" << endl;
    }
}

void test02() {
    Person p1("Tom", 10);
    Person p2("Tom", 10);
    // 自定义数据类型，不会调用普通的函数模板
    // 可以创建具体化的Person数据类型的模板，用于特殊处理这个类型
    bool ret = myCompare(p1,p2);
    if(ret) {
        cout << "p1 == p2" << endl;
    } else {
        cout << "p1 != p2" << endl;
    }
}

int main() {
    test01();
    test02();
    system("pause");
    return 0;
}

总结：

• 利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
• 学习模板并不是为了写模板，而是在 STL 能够运用系统提供的模板