【C++】模版初阶

痛定思痛。 2024-04-20 06:04 10阅读 0赞

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#### 目录 ####

*  🌿1. 泛型编程
 *  🌿2. 函数模版
 *   *  🍃2.1 函数模版概念
     *  🍃2.2 函数模版格式
     *  🍃2.3 函数模版的原理
     *  🍃2.4 函数模版的实例化
     *  🍃2.5 模版参数的匹配原则
 *  🌿3. 类模版
 *   *  🍃3.1 类模版的定义格式
     *  🍃3.2 类模板的实例化

## 🌿1. 泛型编程 ##

**如何实现一个通用的交换函数呢？**

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;
    }

**使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：**

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？

![在这里插入图片描述][5adddf35c74b40deb949b2dd7ff33f87.png]

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。**

![在这里插入图片描述][c62e146341a54f17b92bbac5fb32470f.png]

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## 🌿2. 函数模版 ##

### 🍃2.1 函数模版概念 ###

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。

### 🍃2.2 函数模版格式 ###

template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
    返回值类型 函数名(参数列表){
        }

注意 ：**typename**是用来定义模板参数的**关键字，也可以使用 class** (切记这里不能用 struct 代替 class)。typename 是新增的，好多地方都习惯用 class。**对于 T 我们可以任意起**。

//如果写了对应的函数，那么它依然会去调用，但是没必要
    /*void Swap(int& left, int& right)
    {
    	int temp = left;
    	left = right;
    	right = temp;
    }*/
    template<class T>
    void Swap(T& x1, T& x2)
    {
        
    	T tmp = x1;
    	x1 = x2;
    	x2 = tmp;
    }
    int main()
    {
        
    	int a = 0, b = 1;
    	double c = 1.1, d = 2.2;
    	int* p1 = &a, *p2 = &b;
    	Swap(a, b);
    	Swap(c, d);
    	Swap(p1, p2);
    	return 0;
    }

这里就可以知道它可以针对所有类型完成交换工作。

那它一个函数能完成这里几种函数的功能吗 ？？？

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### 🍃2.3 函数模版的原理 ###

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

![在这里插入图片描述][33dcca86c0974b4bbf92d6db94c8db0d.png]

![在这里插入图片描述][fb2642316b5d4f22bb2e2ea69c8d96f8.png]

**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**

![在这里插入图片描述][50ed4b193a694762b46f3fa032ba9f50.png]

**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。

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### 🍃2.4 函数模版的实例化 ###

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。

*  隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
 *  显式实例化：在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型

template<class T>
    T Add(const T& left, const T& right)
    {
        
    	return left + right;
    }
    int main()
    {
        
    	int a1 = 10, a2 = 20;
    	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
    	
    	cout << Add(a1, a2) << endl;//ok
    	cout << Add(d1, d2) << endl;//ok
    
    	//cout << Add(a1, d2) << endl;//???
    	//1、用户自己来强制转化
    	cout << Add(a1, (int)d2) << endl;
    	cout << Add((double)a1, d2) << endl;
    	//2、上面是实参去推演形参的类型，这里不需要推演，显示实例化指定T的类型
    	cout << Add<int>(a1, d2) << endl;
    	cout << Add<double>(a1, d2) << endl;
    
    	return 0;
    }

Add(a1, d2)：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，但模板参数列表中只有一个 T，所以编译器无法确定此处到底该将 T 确定为 int 还是 double 而报错。

![请添加图片描述][9efdf3d9c3664d3c841c4d4fe1236b95.png]

**解决方法：**

1、用户自己来强制转化

2、使用显式实例化

![请添加图片描述][3dcb1c0a9f5447eeaea46c3054155891.png]

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### 🍃2.5 模版参数的匹配原则 ###

1.  一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，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q	
    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;
    }
    int main()
    {
        
    	//模板匹配原则：
    	//1、有现成完全匹配的，就直接调用，没有现成调用的，实例化模板生成
    	Add(1, 2);
    	//2、有需要转换匹配的，那么它会优先选择去实例化模板生成
    	Add(1.1, 2.2);
    	return 0;
    }

Add(1, 2)：

比如说，今天你回家了，着急吃饭，家里没有人，你吃饭有两种方式，用妈妈给你的钱点外卖、冰箱里有菜自己做，那肯定是点外卖。编译器也是一样，第一个是现成的，直接调用就行，第二个编译器还要根据实参推导形参生成。所以编译器它会去调用第一个函数。

Add(1.1, 2.2)：

如果镇上没有外卖，只能自己做。所以它会去调用第二个函数。如果你妈不想让你点外卖，你必须得自己做

1.  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
    }

1.  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

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## 🌿3. 类模版 ##

### 🍃3.1 类模版的定义格式 ###

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

*  **栈的泛型问题**

typedef int STDataType;
    class Stack
    {
        
    private:
    	STDataType* _a;
    	int _top;
    	int _capacity;
    };
    int main()
    {
        
    	Stack st1;//int
    	Stack st2;//double
    	return 0;
    }

> **这里想让`st1 是 int，st2 是 double，显然这里做不到`。C 语言中的 typedef 只是增强程序的可维护性，不能解决泛型的问题。**

*  **解决方法：类模版**

struct TreeNode
    {
        
    	
    };
    template<class T>
    class Stack
    {
        
    private:
    	T* _a;
    	int _top;
    	int _capacity;
    };
    int main()
    {
        
    	Stack<TreeNode>st1;//TreeNode*
    	Stack<int>st2;//int
    	return 0;
    }

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### 🍃3.2 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。**

//Stack类名，Stack<int>才是类型
    Stack<int>s1;
    Stack<double>s2;

struct TreeNode
    {
        };
    template<class T>
    class Stack
    {
        
    public:
    	Stack(int capacity = 4)
    		: _a(new T[capacity])
    		, _top(0)
    		, _capacity(capacity)
    	{
        }
    	~Stack()
    	{
        
    		delete[]_a;
    		_a = nullptr;
    		_top = _capacity = 0;
    	}
    	//类里面声明，类外面定义呢？？？
    	void Push(const T& x);
    private:
    	T* _a;
    	int _top;
    	int _capacity;
    };
    template<class T>
    void Stack<T>::Push(const T& x)//指定域，且需要声明模板
    {
        }
    int main()
    {
        
    	Stack<TreeNode*>st1;//TreeNode*
    	Stack<int>st2;//int
    	return 0;
    }

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