目录

一. 前言

二. 泛型编程

三. 函数模版

3.1 函数模版的概念

3.2 函数模版的格式

3.3 函数模版的原理

3.4 函数模板的实例化

3.5 模板参数的匹配原则

四. 类模版

4.1 类模版的定义

4.2 类模版的实例化


一. 前言

本期我们要介绍的是C++的又一大重要功能—-模版。通过模版,我们可以很轻松的进行泛型编程,大大简化我们编程时的代码。

本文的目标是让读者对模版有一定程度上的了解,以便后续STL的学习,对于模版更深层次的内容,我们放到以后再进行拓展。

话不多说,开启我们今日的学习叭

二. 泛型编程

假如现在有个需求,要求我们实现一个swap函数用于数据的交换,数据类型可能是整形浮点型字符型等等,通过我们之前学习的知识,你会如何进行实现呢?

聪明的你可能会这样实现

//利用函数重载实现三种不同类型的swap函数void Swap(int& x, int& y) //引用传参{int tmp = x;x = y;y = tmp;}void Swap(double& x, double& y){double tmp = x;x = y;y = tmp;}void Swap(char& x, char& y){double tmp = x;x = y;y = tmp;}

是的,上面的代码确实实现了我们的需求,但还是存在一些不足,体现在如下两个方面:

  1. 几个重载函数仅仅是类型不同,代码逻辑都是一样的,代码的复用率比较低。每当有新类型出现时,用户就需要再自行添加一个函数
  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(想必你写的时候也是CV的叭)

依照以上两点不足,那我们能不能只给编译器提供一个模板,到时候让编译器根据我们指定的类型自动生成所需要的函数呢?

答案是有的。C++为我们提供了模版的概念,支持我们进行泛型编程。模版就好比一个模具,我们可以从倒入任何种类(类型)的东西到模具中,最终都会形成我们想要的对应图案(即生成相应的代码)

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。模版是泛型编程的基础。模板分为函数模版类模版

三. 函数模版

3.1 函数模版的概念

一个函数模版代表了一个函数的整个家族。该函数模板与类型无关,在使用时被会被实例化,根据实参类型实例化出特定类型的函数版本。

3.2 函数模版的格式

函数模版的定义格式如下所示:

template
返回值类型 函数名(参数列表)
{}

例如,我们将上面的swap函数定义为函数模版如下:

template //T是类型名void swap(T& x, T& y){T tmp = x;x = y;y = tmp;}

其中,typename是定义模版参数的关键字,也可以使用class关键字替代。

3.3 函数模版的原理

我们可以把函数模板看做一个蓝图,它本身并不是一个函数,而是编译器根据调用函数时传入实参产生特定类型函数的一个模具。

例如,当我们给swap函数传入double类型的参数,编译器就会自动根据模板生成一份参数为double类型的swap函数;而如果我们传入的是int类型的参数,编译器就会生成一份参数为int类型的swap函数。

由此可见,模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器去做,将手动敲出来的代码变为编译器自动生成。

在编译器编译阶段时,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T并生成对应类型的函数以供调用。比如:当double类型数据使用函数模板时,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,对于其余类型也是如此。

3.4 函数模板的实例化

当不同类型的参数使用函数模板时,编译器根据模版为这个类型生成一份函数代码,这个过程称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为:隐式实例化显式实例化

隐式实例化

即编译器根据实参的类型自动推导模版参数的类型:

templateT Add(const T& left, const T& right){return left + right;}int main(){double d1 = 2.0;double d2 = 5.0;Add(d1, d2); //d1和d2是double类型的,编译时编译器推导T为double类型,实例化double类型的Add函数int i1 = 0;Add(i1, d2); //此处编译会报错,因为Add只有一个模板参数T,而实参有两种类型,编译器推导时不知道将T推导为int还是doublereturn 0;}

可以看到,编译器进行隐式实例化也不是胡乱实例化的,必须要有唯一的结果编译器才会进行实例化,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。

要解决上面Add函数的问题,我们有两个解决方法:

1、用户自行进行强制类型转换

Add(i1, (int)d2); //将两个实参都变为int类型Add((double)i1, d2); //将两个实参都变为double类型

2、使用下面的显式实例化

显式实例化

调用函数时我们可以在函数名后使用来指定模板参数的实际类型,如下:

int main(){int a = 10;double b = 20.0;double c = 30.0;// 显式实例化Add(a, b);//显式指定T实例化为intAdd(b, c);//显式指定T实例化为doublereturn 0;}

当实例化的函数形参和实参的类型不匹配时,编译器就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

templatevoid Swap(T& x, T& y){T tmp = x;x = y;y = tmp;}int main(){int i = 10;double d = 10.0;Swap(i, d); //尽管我们显式进行实例化了,但这里编译器仍然会报错,原因是形参和实参无法进行隐式类型转换return 0;}

3.5 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,并且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。换句话说,我们既可以使用非模板函数,也可以使用编译器特化的模板函数。

//Swap函数模板templatevoid Swap(T& x, T& y){T tmp = x;x = y;y = tmp;}//处理int类型的Swap函数void Swap(int& x, int& y){int tmp = x;x = y;y = tmp;}int main(){int a = 10, b = 20;Swap(a, b); //使用下面专门处理int的Swap函数Swap(a, b); //使用上面编译器特化后的Swap函数return 0;}

2、对于非模板函数和同名函数模板,调用时会调用最匹配的那个函数。在其他条件相同的情况下,编译器会优先调用非模板函数。如果模板可以产生一个更匹配的函数,则将选择模板。

//Add函数模板templateT1 Add(T1 x, T2 y){return x + y;}//处理int类型的Add函数int Add(int x, int y){return x + y;}int main(){Add(10, 20); //虽然可以通过模板生成的模板函数,但编译器并不会去生成,而是去调用已经存在的非模板函数Add(10, 20.0); //通过函数模板生成的函数会更加匹配,故调用函数模版生成的Add函数return 0;}

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

//Add函数模板templateT Add(T x, T y){return x + y;}int Swap(int x, int y){int tmp = x;x = y;y = tmp;}int main(){int a = 20;double d = 10.0;Add(d, a); //这里会报错,Add是模板函数,不支持自动类型转换Swap(d, a); //这里编译通过,d会发生隐式类型转换为int类型return 0;}


四. 类模版

4.1 类模版的定义

在C++中,除了普通函数支持模版,类也支持模版,我们把这样的类称为类模版。下面给出一个类模版的定义格式:

template //模板参数class 类模板名{// 类内成员定义};

下面我们用vector类来演示一下类模板的定义方法以及注意事项(只是演示噢,并不是真正的vector模拟实现)

//vector类templateclass Vector{public://构造时使用new动态申请空间Vector(int capacity = 10):_p(new T[capacity])_capacity(capacity),_size(0){}void puch_back(const T& x); //尾插void pop_back(); //尾删~Vector(); //析构时需要调用delete释放空间private:T* _p;int _capacity;int _size;};//在类模板外定义成员函数,需要加上模版参数列表templateVector::~Vector(){if (_p != nullptr){delete[] _p;_capacity = _size = 0;}}

值得注意的是:和模板函数一样,类模板并不是一个具体的类,它只是一个模具,只有进行实例化后才会变成一个具体的类。

4.2 类模版的实例化

与函数模板实例化不同,类模板不支持隐式类型推导,类模板实例化需要在类模板名字后用显式指定模板参数的实际类型。注意:类模板的名字不是真正的类,只有指定类型实例化后才是真正的类。

//模板的实例化int main(){//Vector是类名,Vector才是类型名,才能用来定义对象Vector vi(20); //用参数为int的Vector类定义对象Vector vd(10); //用参数为double的Vector类定义对象return 0;}

类模版经过类型实例化后得到的类我们称作模板类,通过模板类我们就可以定义许多相应的类对象,三者的关系可用下图表示:


以上,就是本期的全部内容啦

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