【C++】模板详细讲解（含反向迭代器）

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前言：

C++的模板在是泛型编程的重要组成部分，编写在不同类型上工作的代码，而无需为每个类型编写重复的代码，这有助于减少代码冗余并提高代码的可维护性。

模板

模板的介绍

• C++模板是一种强大的编程技术，它允许程序员编写与类型无关的代码，即泛型编程。
• 模板可以用于定义泛型函数和类，这些函数和类可以在编译时根据实际使用的数据类型进行实例化。
• 模板的使用提高了代码的复用性和灵活性，减少了冗余代码的编写

模板分类

函数模板

函数模板的定义通常包含以下几个部分：

1. template关键字：表示接下来的声明是一个模板。
2. 模板参数列表：位于尖括号<>中，可以包含类型参数和非类型参数。
3. 函数声明和定义：与普通函数类似，但使用模板参数列表中的类型来定义函数。

#include <iostream>
//函数模板
template <typename T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}int main() {int x = 10, y = 20;double d1 = 1.5, d2 = 2.5;std::cout << "Adding two integers: " << add(x, y) << std::endl;std::cout << "Adding two doubles: " << add(d1, d2) << std::endl;return 0;
}

类模板

类模板的定义与函数模板类似，但用于定义类结构。以下是一个简单的类模板示例：

#include <iostream>template <typename T>
class SimpleContainer {
private:T data;public:SimpleContainer(T value) : data(value) {}T getData() const { return data; }void setData(T value) { data = value; }
};int main() {SimpleContainer<int> intContainer(10);std::cout << "Integer data: " << intContainer.getData() << std::endl;SimpleContainer<double> doubleContainer(3.14);std::cout << "Double data: " << doubleContainer.getData() << std::endl;return 0;
}

在这个例子中，SimpleContainer是一个类模板，它可以用于任何数据类型T。当在main函数中创建SimpleContainer的实例时，编译器会根据提供的类型参数自动生成相应的类实例。

类模板的成员函数

类模板的成员函数可以是模板函数，也可以是普通函数。模板成员函数在类模板的定义中直接声明，而普通成员函数可以在类模板外定义，此时需要显式指定模板参数。

template <typename T>
class MyClass {
public:void templateFunction(T value);void normalFunction();
};template <typename T>
void MyClass<T>::templateFunction(T value) {// Template member function
}template <typename T>
void MyClass<T>::normalFunction() {// Non-template member function, defined outside the class
}

函数模板实例化

函数模板的实例化通常发生在函数被调用时。编译器会根据传递给函数模板的参数类型，自动实例化一个特定类型的函数。例如：

template <typename T>
void print(T value) {std::cout << value << std::endl;
}int main() {print(10);    // 实例化为 void print(int)print(3.14);  // 实例化为 void print(double)
}

在这个例子中，print函数模板被两次调用，分别传入了int和double类型的参数，因此编译器会为每种类型生成一个具体的函数实例。

类模板实例化

类模板的实例化发生在创建类模板的实例时，或者当类模板的成员函数被调用时。例如：

template <typename T>
class Box {
public:T value;Box(T v) : value(v) {}
};int main() {Box<int> intBox(10);   // 实例化为 class Box<int>Box<double> dblBox(3.14); // 实例化为 class Box<double>
}

这里，Box类模板被用于创建两个不同类型的实例，Box<int>和Box<double>。

隐式实例化与显式实例化

• 隐式实例化：当模板被调用或使用时，编译器自动进行实例化。这是最常见的情况，如上述例子所示。
• 显式实例化：在某些情况下，可能需要在编译器之外显式地实例化模板。这通常用于控制模板实例的生成，避免不必要的实例化，或者在编译时提前生成一些模板实例以提高运行时性能。显式实例化的语法如下：

template class Box<int>; // 显式实例化 Box<int>

非类型模板参数

• 非类型模板参数是C++模板中的一种机制，它允许模板在编译时期使用常量值作为参数。

template<class T ,size_t N = 10>
class sulotion
{
public:sulotion(const T& x)	{_a[1] =  10;}void print(){for (int i = 0; i < 10; i++){cout << _a[i]<<" ";}cout << endl;}
private:T _a[N];
};

模板的特化

C++模板特化是一种技术，允许开发者为特定类型或类型模式提供不同的模板实现，以覆盖通用模板的默认行为。

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

全特化

• 全特化是指为某个特定的模板参数提供专门的实现，通常用于处理某个特定类型的特殊情况。
• 在全特化中，模板参数列表中的所有参数都被确定化，形成一个完全具体化的模板版本。

template<class T1, class T2>
class sulotion
{
public:sulotion(const T1& x, const T2& y): _data1(x),_data2(y){}void print(){cout << _data1 << " " << _data2 << endl;}
private:T1 _data1 ;T2 _data2  ;
};
//特化
template<>
class sulotion<int,char>
{
public:sulotion(const int& x, const char& y): _data1(x), _data2(y){}void print(){cout << _data1 << " " << _data2 << endl;}
private:int _data1;char _data2;
};

偏特化

• 偏特化是指为一组模板参数提供专门的实现，而不是针对单个特定的参数。
• 偏特化允许更细粒度的控制和更广泛的特化。类模板可以进行偏特化，但函数模板不支持偏特化，因为编译器无法区分不同的偏特化版本。
• 在偏特化中，只有部分模板参数被确定化，而其他参数保持泛型。

template<class T1, class T2>
class sulotion
{
public:sulotion(const T1& x, const T2& y): _data1(x),_data2(y){}void print(){cout << _data1 << " " << _data2 << endl;}
private:T1 _data1 ;T2 _data2  ;
};
//偏特化
template<class T1>
class sulotion<T1,char>
{
public:sulotion(const T1& x, const char& y): _data1(x), _data2(y){}void print(){cout << _data1 << " " << _data2 << endl;}
private:T1 _data1;char _data2;
};

模板的分离编译

• C++模板的分离编译是指将模板的声明和定义分离开来，以适应大型项目中模块化的开发需求。
• 传统上，类模板的声明和定义通常放在同一个头文件中，但这种做法可能导致编译速度慢和编译依赖管理复杂。
• 分离编译允许开发者将模板的声明放在头文件中，而将定义放在源文件中，这样可以减少头文件的大小，加速编译过程，并减少不必要的编译依赖。

模板分离的编译容易链接错误

解决方法：

• 将声明和定义放在同一个头文件中：这是最直接的方法，可以确保模板的声明和定义在编译时可见，从而避免链接错误。
• 显示实例化：通过在源文件中显式实例化模板，告诉编译器为特定类型生成模板实例。这种方法虽然可以解决链接错误，但会降低代码的泛化能力，因为每次使用新类型时都需要更新实例化代码。

C++对模板的应用

• 容器（Containers）：提供了多种数据结构的实现，如 vector、list、deque 等，这些容器通过模板类来支持不同数据类型的存储和管理。
• 迭代器（Iterators）：定义了一组接口，用于遍历容器中的元素。迭代器本身也是模板类，它们抽象了对容器元素的访问方式，使得算法能够独立于具体的数据结构实现。
• 算法（Algorithms）：提供了一系列的函数模板，用于执行常见的数据操作，如排序、搜索、复制等。这些算法通过模板定义，可以广泛应用于不同类型的容器。
• 函数对象（Functors）：也称为仿函数，是重载了 operator() 的对象，可以作为算法的参数，提供自定义的操作逻辑。函数对象同样是基于模板实现的，以支持不同类型的操作。
• 适配器（Adapters）：用于修改或包装现有容器或迭代器的接口，以满足特定的使用需求。适配器也是基于模板技术实现的，提供了灵活的扩展机制

C++反向迭代器

• C++的反向迭代器是对正向迭代器的再次封装。

正向迭代器

//迭代器
template<class T,class Ref,class ptr>struct _list_iterator{typedef _list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref,ptr> self;Node* _node;_list_iterator (Node* node):_node(node){}//重载operator*Ref& operator* (){return _node->_val;}//重载operator->ptr operator->(){return _node->_val;}//重载operator++(前置)self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//重载operator++(后置)self& operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//重载operator--(前置)self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//重载operator--(后置)self& operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}//重载operator!=bool operator!=(const self& it)const {return _node != it._node;}//重载operator==bool operator==(const self& it)const{return _node == it._node;}};

反向迭代器

• iterator和reverse_itrator是成为镜像对称

• operartor*是解引用前一个数据，也就是迭代器的end

• ++就是调用正向的–，反正 – 就是++

template<class iterator ,class Ref,class Ptr>struct Reverse_Iterator{typedef Reverse_Iterator<iterator, Ref, Ptr> self;iterator _it;Reverse_Iterator(iterator it):_it(it){}Ref operator* (){iterator tmp(_it);return *(--tmp);}Ptr operator->(){return &(operator* ());}self& operator++(){--_it;return *this;}self& operator--(){++_it;return *this;}bool operator==(const self& s)const{return _it == s._it;}bool operator!=(const self& s)const{return _it != s._it;}};