【C++】模板上(泛型编程) —— 函数模板与类模板

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一、啥是泛型编程

我们在C++中不使用模板(泛型)，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;
}......

• 答案也是非常简单，利用C++的函数重载特性，编写多个类型的Swap交换函数即可。

但是，这代码就是咱们程序🐵所说的屎山代码。因为：

1. 重载的多个函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要出现新的类型需要交换，就需要新增对应的重载函数。（QAQ）想到不才都忍不住流泪
2. 代码的可维护性比较低，其中一个重载函数出现错误可能意味着所有的重载函数都出现了错误。

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？

例如咱们工业生产的时候，是不是只需要生成一个摸具，一压一和就完成生成产品，不用人工每一个都手打。

那么在C++中，我们就隆重推出了泛型编程的概念，这也是C++能在历朝历代的语言更替中，依旧呲碴风云的核心之一。

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。

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二、函数模板

2.1、函数模板的概念

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、函数模板的格式

template <typename T1,class T2,…,typename Tn>
返回类型 函数名(参数列表)
{//函数体
}

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{T tmp = x;x = y;y = tmp;
}

注意：typename 是用来定义模板参数的关键字，也可以用class代替 (切记：不能使用struct代替class)，其作用都一样，只是为了编写模板参数增多时，在代码可读性区分是自定义类型的模板参数还是基础类型模板参数。

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2.3、函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数。是编译器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。

在编译器编译阶段，对于函数模板的使用，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int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int类型，然后产生一份专门处理int类型的代码，对于double类型等其他也是如此。（所有类型都可以使用泛型编程，包含自定义类型)

2.4、函数模板的实例化

用不同类型的参数使用模板时，称为模板的实例化。模板实例化分为：隐式实例化和显示实例化。

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2.4.1、隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = 10, b = 20;int c = Add(a, b); //编译器根据实参a和b推演出模板参数为int类型return 0;
}

• 不才在上面代码中，只声明了一个泛型变量T
• 那么在代码中没有显示的指定泛型类型，那么编译器就根据实参a和b推演出模板参数为int类型
• 即：在编译后，类型T就会变为Add()函数创建一个int Add(const int& x, const int& y)，那就是在2.3、函数模板的原理中不才画的示例图，不才再次把这个图拿下来

特别注意：使用模板时，程序猿定义了多少个泛型模板变量，那么编译器就只会自动识别多少个变量。若超出了泛型模板变量定义的个数就报错

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = 10;double dou = 20.2;int c = Add(a, dou); //ERRreturn 0;
}

运行结果如下图：

• 因为在编译期间，编译器根据实参推演模板参数的实际类型时，根据实参a将T推演为int，根据实参dou将T推演为double，但是模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处应该将T确定为int还是double

此时，我们有三种处理方式，第一种就是我们在传参时将dou强制转换为int类型，第二种就是使用下面说到的显示实例化，第三种就是改变函数列表或新增函数使得函数重载。

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2.4.2、显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = 10;double b = 1.1;int c = Add<int>(a, b); //指定模板参数的实际类型为intreturn 0;
}

显示实例化 一般在类模板中的 类成员的实例化中常见

注意：使用显示实例化时，如果传入的参数类型与模板参数类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功，则编译器将会报错。

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2.5、函数模板的匹配原则

2.5.1、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

#include <iostream>
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = 10, b = 20;int c = Add(a, b); //调用非模板函数，编译器不需要实例化int d = Add<int>(a, b); //调用编译器实例化的Add函数return 0;
}

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2.5.2、对于非模板函数和同名的函数模板，如果其他条件都相同，在调用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，那么选择模板

#include <iostream>
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(const T1& x, const T2& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = Add(10, 20); //与非模板函数完全匹配，不需要函数模板实例化int b = Add(2.2, 2); //函数模板可以生成更加匹配的版本，编译器会根据实参生成更加匹配的Add函数return 0;
}

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2.5.3、模板函数不允许自动隐式类型转换，但普通函数可以进行自动隐式类型转换

普通函数可以进行自动隐式类型转换

int Add(const int& x, const int& y)
{return x + y;
}int main()
{int a = Add(10, 20);int b = Add(2.2, 2); int t = Add(5.5, 5.5); printf("a :> %d\n", a);printf("b :> %d\n", b);printf("t :> %d\n", t);return 0;
}

运行结果：

模板函数不允许自动隐式类型转换

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{int a = 10;double dou = 20.2;int c = Add(a, dou); //ERRreturn 0;
}

运行结果如下图：

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三、类模板

3.1、类模板的定义格式

template<class T1, class T2, …, class Tn>
class 类模板名
{//类内成员声明
};

template<class T>
class Score
{
public:Score(T math, T chinese, T english) :_Math(math), _Chinese(chinese), _English(english) {;}void Print(){cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;}
private:T _Math;T _Chinese;T _English;
};

注意：类模板中的成员函数/属性若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。(一般使用在静态方法中)

template<class T>
class Score
{
public:Score(T chinese, T english) :_Chinese(chinese), _English(english) {;}void Print();//为举例而写private:static int _Math;T _Chinese;T _English;
};
template <class T>
int Score<T>::_Math = 10;template <class T>
void Score<T>::Print()
{cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;
}

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3.2、类模板的实例化

类模板实例化需要在类模板名字后面根<>，然后将实例化的类型放在<>中即可。

template<class T>
class Score
{
public:Score(T chinese, T english) :_Chinese(chinese), _English(english) {;}void Print();private:static int _Math;T _Chinese;T _English;
};
template <class T>
int Score<T>::_Math = 10;template <class T>
void Score<T>::Print()
{cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;
}int main() {Score<int> t1( 100, 60);Score<double> t2( 90.5, 2.5);t1.Print();
}

注意：Score不是真正的类，Score<int>和Score<double>才是真正的类。

类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

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四、模板的作用域

不论是类模板、函数模板还是类外定义的内容中，template其作用域只会最用在下面最近一行中

template<class T>
class Score
{
public:Score(T chinese, T english) :_Chinese(chinese), _English(english) {;}void Print();//为举例而写private:static int _Math;T _Chinese;T _English;
};template <class T>
int Score<T>::_Math = 10;
void Score<T>::Print() //err
{cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;
}

• 在类外第一个定义的template <class T>只作用在int Score<T>::_Math = 10;中，之后就消亡
• 所以在void Score<T>::Print(){...}中，T不再是一个类模板，而是一个未定义的标识符。如下图：

那为啥我们在类中或函数中还是可以使用模板参数呢？

• 那是因为在{}中内容都是属于该类/函数的内容。

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