C++ 语言函数模板 (Function Template)

系统管理员 2022-09-03 14:22 192阅读 0赞

#  C++ 语言函数模板 (Function Template) #

泛型编程 (generic programming) 是一种算法在实现时不指定具体要操作数据的类型的程序设计方法。泛型指的是算法只要实现一遍，就能适用于多种数据类型。泛型程序设计方法的优势在于减少重复代码的编写。

泛型程序设计成功的应用是 C++ 的标准模板库 (STL)，泛型程序设计就是大量编写模板、使用模板的程序设计。

在 C++ 中，模板分为函数模板和类模板两种。在编写函数时考虑能否将其写成函数模板，编写类时考虑能否将其写成类模板。

## 1. C++ 函数重载 ##

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    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    // 交换 int 变量的值
    void Swap(int *a, int *b) {
    	int temp = *a;
    	*a = *b;
    	*b = temp;
    }
    
    // 交换 float 变量的值
    void Swap(float *a, float *b) {
    	float temp = *a;
    	*a = *b;
    	*b = temp;
    }
    
    // 交换 char 变量的值
    void Swap(char *a, char *b) {
    	char temp = *a;
    	*a = *b;
    	*b = temp;
    }
    
    // 交换 bool 变量的值
    void Swap(bool *a, bool *b) {
    	bool temp = *a;
    	*a = *b;
    	*b = temp;
    }
    
    int main() {
    	// 交换 int 变量的值
    	int n1 = 66, n2 = 99;
    	Swap(&n1, &n2);
    	cout << n1 << ", " << n2 << endl;
    
    	// 交换 float 变量的值
    	float f1 = 34.5f, f2 = 78.9f;
    	Swap(&f1, &f2);
    	cout << f1 << ", " << f2 << endl;
    
    	// 交换 char 变量的值
    	char c1 = 'A', c2 = 'Z';
    	Swap(&c1, &c2);
    	cout << c1 << ", " << c2 << endl;
    
    	// 交换 bool 变量的值
    	bool b1 = true, b2 = false;
    	Swap(&b1, &b2);
    	cout << b1 << ", " << b2 << endl;
    
    	return 0;
    }

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## 2. C++ 函数模板 - 指针 ##

数据的值可以通过函数参数传递。在函数定义时，数据的值是未知的，只有等到函数调用时接收了实参才能确定其值，这就是值的参数化。

**在 C++ 中，数据的类型也可以通过参数来传递。在函数定义时可以不指明具体的数据类型，当发生函数调用时，编译器可以根据传入的实参自动推断数据类型，这就是类型的参数化。**

值 (value) 和类型 (type) 是数据的两个主要特征，它们在 C++ 中都可以被参数化。

函数模板是建立一个通用函数，它所用到的数据的类型 (包括返回值类型、形参类型、局部变量类型) 可以不具体指定，而是用一个虚拟的类型来代替 (实际上是用一个标识符来占位)，在发生函数调用时再根据传入的实参来逆推出真正的类型。这个通用函数就称为函数模板 (Function Template)。

在函数模板中，数据的值和类型都被参数化了，发生函数调用时编译器会根据传入的实参来推演形参的值和类型。函数模板除了支持值的参数化，还支持类型的参数化。

一旦定义了函数模板，就可以将类型参数用于函数定义和函数声明了。原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

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    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    template<typename T>
    void Swap(T *a, T *b) {
    	T temp = *a;
    	*a = *b;
    	*b = temp;
    }
    
    int main() {
    	// 交换 int 变量的值
    	int n1 = 66, n2 = 99;
    	Swap(&n1, &n2);
    	cout << n1 << ", " << n2 << endl;
    
    	// 交换 float 变量的值
    	float f1 = 34.5f, f2 = 78.9f;
    	Swap(&f1, &f2);
    	cout << f1 << ", " << f2 << endl;
    
    	// 交换 char 变量的值
    	char c1 = 'A', c2 = 'Z';
    	Swap(&c1, &c2);
    	cout << c1 << ", " << c2 << endl;
    
    	// 交换 bool 变量的值
    	bool b1 = true, b2 = false;
    	Swap(&b1, &b2);
    	cout << b1 << ", " << b2 << endl;
    
    	return 0;
    }

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`template` 是定义函数模板的关键字，它后面紧跟尖括号 `<>`，尖括号包围的是类型参数 (虚拟的类型，或者说是类型占位符)。`typename` 是另外一个关键字，用来声明具体的类型参数，类型参数就是`T`。从整体上看，`template<typename T>` 被称为模板头。

模板头中包含的类型参数可以用在函数定义的各个位置，包括返回值、形参列表和函数体。

类型参数的命名规则跟其他标识符的命名规则一样，不过使用 `T`、`T1`、`T2`、`Type` 等已经成为了一种惯例。

## 3. C++ 函数模板 - 引用 ##

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    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    template<typename T>
    void Swap(T &a, T &b) {
    	T temp = a;
    	a = b;
    	b = temp;
    }
    
    int main() {
    	// 交换 int 变量的值
    	int n1 = 66, n2 = 99;
    	Swap(n1, n2);
    	cout << n1 << ", " << n2 << endl;
    
    	// 交换 float 变量的值
    	float f1 = 34.5f, f2 = 78.9f;
    	Swap(f1, f2);
    	cout << f1 << ", " << f2 << endl;
    
    	// 交换 char 变量的值
    	char c1 = 'A', c2 = 'Z';
    	Swap(c1, c2);
    	cout << c1 << ", " << c2 << endl;
    
    	// 交换 bool 变量的值
    	bool b1 = true, b2 = false;
    	Swap(b1, b2);
    	cout << b1 << ", " << b2 << endl;
    
    	return 0;
    }

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定义模板函数的语法：

template <typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , ...> 返回值类型 函数名(形参列表){
        // 在函数体中可以使用类型参数
    }

类型参数可以有多个，它们之间以逗号分隔。类型参数列表以 `<>` 包围，形式参数列表以 `()` 包围。

**`typename` 关键字可以使用 `class` 关键字替代，它们没有任何区别。C++ 早期对模板的支持并不严谨，没有引入新的关键字，而是用 `class` 来指明类型参数，但是 `class` 关键字本来已经用在类的定义中了，后来 C++ 又引入了一个新的关键字 `typename`，专门用来定义类型参数。**

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    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    template<class T>
    void Swap(T &a, T &b) {
    	T temp = a;
    	a = b;
    	b = temp;
    }
    
    int main() {
    	// 交换 int 变量的值
    	int n1 = 66, n2 = 99;
    	Swap(n1, n2);
    	cout << n1 << ", " << n2 << endl;
    
    	// 交换 float 变量的值
    	float f1 = 34.5f, f2 = 78.9f;
    	Swap(f1, f2);
    	cout << f1 << ", " << f2 << endl;
    
    	// 交换 char 变量的值
    	char c1 = 'A', c2 = 'Z';
    	Swap(c1, c2);
    	cout << c1 << ", " << c2 << endl;
    
    	// 交换 bool 变量的值
    	bool b1 = true, b2 = false;
    	Swap(b1, b2);
    	cout << b1 << ", " << b2 << endl;
    
    	return 0;
    }

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## 4. 声明函数模板 ##

函数模板可以提前声明，不过声明时需要带上模板头，并且模板头和函数定义 (声明) 是一个不可分割的整体，它们可以换行，但中间不能有分号。

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    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
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    #include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    // 声明函数模板
    template<typename T>
    T max(T a, T b, T c);
    
    int main() {
    	// 三个整数的最大值
    	int i1, i2, i3, i_max;
    	cin >> i1 >> i2 >> i3;
    	i_max = max(i1, i2, i3);
    	cout << "i_max = " << i_max << endl;
    
    	// 三个浮点数的最大值
    	double d1, d2, d3, d_max;
    	cin >> d1 >> d2 >> d3;
    	d_max = max(d1, d2, d3);
    	cout << "d_max = " << d_max << endl;
    
    	// 三个长整型数的最大值
    	long g1, g2, g3, g_max;
    	cin >> g1 >> g2 >> g3;
    	g_max = max(g1, g2, g3);
    	cout << "g_max = " << g_max << endl;
    
    	return 0;
    }
    
    // 定义函数模板
    // 模板头后面不能有分号
    template<typename T>
    T max(T a, T b, T c) {
    	T max_num = a;
    	if (b > max_num) max_num = b;
    	if (c > max_num) max_num = c;
    
    	return max_num;
    }

1 2 3
    i_max = 3
    1.5 2.5 3.5
    d_max = 3.5
    33 22 11
    g_max = 33
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## References ##

[http://c.biancheng.net/][http_c.biancheng.net]  
[http://c.biancheng.net/cplus/][http_c.biancheng.net_cplus]

[http_c.biancheng.net]: http://c.biancheng.net/
[http_c.biancheng.net_cplus]: http://c.biancheng.net/cplus/