C++模板template原理解析

目录

• 前言
• 1. 函数模板
• 1.1函数模板的概念
• 1.2函数模板的格式
• 1.3 函数模板的原理
• 1.4 函数模板的实例化
• 1.4.1 隐式实例化
• 1.4.2 显式实例化
• 1.5 模板参数的匹配原则
• 2. 类模板
• 2.1 类模板的定义格式
• 2.2 类模板的实例化

前言

 在学习模板之前我们首先要了解泛型编程。泛型编程是一种编程风格，其中算法以尽可能抽象的方式编写，而不依赖于将在其上执行这些算法的数据形式。泛型编程只编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。本节学习的模板是泛型编程的基础。

模板分为：函数模板和类模板

1. 函数模板

1.1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。

1.2函数模板的格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

返回值类型函数名(参数列表){}

//函数模板
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}

其中typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class.(但是不能使用struct代替class).

1.3 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，其本身并不是函数，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。

我们以Swap()交换函数来进行举例。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;
}
int main()
{
int a = 0;
int b = 1;
double c = 2.2;
double d = 3.3;
Swap(a, b);
Swap(c, d);
return 0;
}

在这段代码中，我们使用到了函数重载，但是仍然有几个不好的地方：

• 1、重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新的类型出现时，就需要我们自己新增对应的函数。
• 2、代码的可维护行比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

因此，介于上面可能发生的问题，C++便使用函数模板来解决这个问题。

根据上面的模板结构，Swap()函数用模板的方法来写如下所示：

//Swap()函数
//template<typename T>
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}

我们使用模板解决了以上两个问题。其中，编译器对特定具体类型的函数会调用相对应类型的Swap函数。

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，对于其他类型也是如此

1.4 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，成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。

1.4.1 隐式实例化

隐式实例化是让编译器根据实参推演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 = 20.0, d2 = 10.0;
Add(a1, a2);
Add(d1, d2);
return 0;
}

其中Add(a1,a2)和Add(d1,d2)就是隐式实例化。编译器会根据实参推演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;
double d1 = 20.0;
Add(a1, d1);
return 0;
}

注意：上述代码是不能通过编译的，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来确定模板参数的具体类型，但是通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double，由于模板参数列表中只有一个T，因此编译器无法确定到底该将T确定为int或者是double类型，从而会报错。（在模板中，编译器一般不会进行类型转换的操作）

此时可以用两种处理方式：

• 1、用户自己来强制转换
• 2、使用显式实例化

int main()
{
int a1 = 10;
double d1 = 20.0;
Add(a1, (int)d1);//用户自己来强制转换
return 0;
}

1.4.2 显式实例化

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;
double d1 = 20.0;
Add<int>(a1, d1);//显示实例化成int
Add<double>(a1, d1);//显示实例化成double
return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

1.5 模板参数的匹配原则

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
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()
{
Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
return 0;
}

2.  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;
}
int main()
{
//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);
//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
Add(1, 2.0);
return 0;
}

3. 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

2. 类模板

2.1 类模板的定义格式

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

// 动态顺序表
// 注意：Vector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
template<class T>
class Vector
{
public:
Vector(size_t capacity = 10)
: _pData(new T[capacity])
, _size(0)
, _capacity(capacity)
{}
// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
~Vector();
void PushBack(const T& data);
void PopBack();
// ...
size_t Size() { return _size; }
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _pData[pos];
}
private:
T* _pData;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
if (_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

2.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数实例化不同，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。

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

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