【C++】初阶篇模板初阶-北京尧图网络

引言写 C 时你是不是常为 “int、double 类型要写两套一样逻辑的代码” 而烦模板就是来解决这个问题的 —— 用泛型编程让一段代码适配多种类型不用重复造轮子。一、泛型编程我们通过实现一个通用的交换函数来引入泛型编程voidSwap(intleft,intright){inttempleft;leftright;righttemp;}voidSwap(doubleleft,doubleright){doubletempleft;leftright;righttemp;}voidSwap(charleft,charright){chartempleft;leftright;righttemp;}在C语言阶段要实现一个通用的交换函数我们只能通过定义对应不同参数类型的多个函数来实现而且各函数的函数名不能相同比如 Swapi、Swapd、Swapc到了C阶段我们可以通过函数重载来定义多个参数类型不同但函数名相同的函数来实现但是函数重载有以下几个缺陷代码冗余相同逻辑需为不同类型重复编写比如 int、double、char 类型的交换函数仅参数类型不同函数体完全一致维护困难若需修改算法逻辑如优化交换逻辑需逐一修改所有重载版本易遗漏出错扩展性差新增类型如自定义结构体时需额外添加对应的重载函数无法灵活适配。那么我们能否给编译器提供一个模型让编译器能够根据不同的参数类型自动利用该模型来生成对应函数呢就像浇筑一样我们可以根据同一个浇筑模具来浇筑出不同类型的模具如果在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。好消息是C中确实存在类似的东西。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。模板一共分为两类 – 函数模板和类模板。二、函数模板2.1 定义函数模板是一个蓝图它本身并不是函数是编译器在使用时用于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由我们做的重复的事情交给了编译器去做。函数模板的定义需以template关键字开头后跟模板参数列表语法格式如下templatetypename类型参数1,typename类型参数2,...返回值类型模板名(形参表){函数体}关键字说明typename用于声明模板参数类型也可替换为class二者在模板参数中完全等价不能用structclass和strcut的区别之一templateclass类型参数1,class类型参数2,...返回值类型模板名(形参表){函数体}上面的 template 为模板关键字class/typename 关键字用于指定模板参数中的类型类型参数用于代表该类型 (我们一般使用 T 作为类型参数)我们以Swap函数为例templateclassTvoidSwap(Tleft,Tright){T tmpleft;leftright;righttmp;}有了函数模板我们就可以使用不同类型的参数来调用同一函数了调用Swap(1, 2)时推导T为int生成Swap函数调用Swap(3.14, 5.20)时推导T为double生成Swap函数每个类型对应的函数是独立的编译后会生成多个不同类型的目标代码。2.2底层原理函数模板是一个蓝图它本身并不是函数所以当我们实际调用时编译器会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此过程在编译阶段完成比如当用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和整形也是如此。通过汇编发现他们的地址不一样。2.3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。templateclassTTAdd(constTleft,constTright){returnleftright;}intmain(){inta110,a220;doubled110.2,d220.2;coutAdd(a1,a2)endl;coutAdd(d1,d2)endl;return0;}如上图我们调用 Add 函数模板时并不需要显式指定 T 为 int 或 double 类型编译器会根据实参类型自动去推演模板参数的类型然后实例化出对应函数。注意我们在使用函数模板时需要避免下面这种情况上述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类型但模板参数列表中只有一个T编译器会无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错。对于上面这种情况一共有三种解决方式用户对实参进行强转、增加模板参数或者显示实例化1. 用户对实参进行强转2. 增加模板参数3. 显示实例化在函数名后的中指定模板参数的实际类型。显式示例化的原理和用户强转类似只不过这里是编译器自动将 d1 强转为 int 然后传递给形参或者将 a1 强转为 double 传递给形参2.4 参数的匹配规则当存在非模板函数与模板函数同名时编译器遵循以下匹配规则优先匹配完全一致的非模板函数有现成的菜吃现成的若模板能生成更匹配的版本非模版函数参数不匹配则选择模板无现成的吃吃预制菜模板函数不支持自动类型转换普通函数支持隐式类型转换。// 非模板函数intAdd(inta,intb){returnab;}// 函数模板templateclassTTAdd(T a,T b){returnab;}intmain(){Add(1,2);// 匹配非模板函数 Add(int a, int b)Add(1,2.0);// 匹配模板生成Addint, double}2.5深入了解模板// 非模板函数intAdd(inta,intb){returnab;}// 函数模板templateclassTTAdd(T a,T b){returnab;}intmain(){Add(1,2);// 匹配非模板函数Add(1,2.0);// 匹配模板生成Addint, double}我们可以看到显示实例化后程序能够正常运行2个Addint ,int也侧面的说明了通过函数模板实例化出的函数与非模板函数 (普通函数) 的函数名修饰规则不同否则会发生编译错误。三、类模板3.1 定义类模板用于生成通用类支持不同类型的数据存储和操作语法格式如下templateclassT1,classT2,...,classTnclass类名{// 类成员定义成员变量、成员函数可使用模板参数};什么时候必须使用类模板呢比如用两个栈实现队列时要存储多种类型数据我们就要写好多栈类。有了类模板我们就可以将 Stack 修改为下面这样// 注意Stack不是具体的类是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具templateclassTclassStack{public:Stack(intcapacity4):_top(0),_capacity(capacity){_a(T*)malloc(sizeof(T)*capacity);if(_anullptr){perror(malloc fail\n);exit(-1);}}~Stack(){free(_a);_aNULL;_top_capacity0;}voidPush(T x){_a[_top]x;}private:T*_a;int_top;int_capacity;};3.2. 类外定义成员函数类模板的成员函数若在类外定义需重新声明模板参数列表并在类名后指定模板参数templateclassTvoidStackT::Push(constTdata){// 扩容逻辑简化版if(_size_capacity){T*tempnewT[_capacity*2];memcpy(temp,_array,sizeof(T)*_size);delete[]_array;_arraytemp;_capacity*2;}_array[_size]data;}templateclassT//因为在类外不知道T是什么所以要写templateclass TvoidStackT::Pop()//StackT指定这个类型的类{if(_size0){_size--;}}注意注意Stack是类名不是具体类型Stack int 才是独立的具体类型。3.3实例化和特性与函数模板不同类模板C17 前必须显式指定模板参数编译器无法自动推导类型注意Stack是类名不是具体类型Stack int 才是独立的具体类型。特性支持默认模板参数可为模板参数指定默认值省略部分参数时使用默认值templatetypenameTint,size_t N10classArray{/* 实现固定大小数组 */};Arrayarr;// 使用默认参数TintN10静态成员独立每个实例化类型的类拥有独立的静态成员互不影响templatetypenameTclassFoo{public:staticintcount;};Fooint::count0;// 与Foodouble::count独立Foodouble::count0;四、总结函数模板支持类型推导编译器根据传递的参数自动推导模板参数。类模板不支持类型推导必须显式指定模板参数类型因为类的结构和使用方式更复杂无法通过简单的参数推导出类型。

【C++】初阶篇模板初阶

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