C++ | 泛型编程：模板初阶与函数模板深度解析

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C++ 泛型编程：模板初阶与函数模板深度解析

C++ 泛型编程：模板初阶与函数模板深度解析

1. 泛型编程：实现代码的通用性

你是否厌倦了为每种数据类型写一遍相同的代码？例如，实现一个简单的交换函数。虽然函数重载看似解决问题，但实际上，每增加一种类型，代码库就膨胀一点，维护成本也直线上升。

想象，如果有一种方式，能告诉编译器：“嘿，我有个模子，你能根据不同的类型来生成代码吗？”好消息是，C++早已为你准备好了解决方案——模板。

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;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

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？

2. 函数模板：代码的模具

2.1 什么是函数模板？

函数模板是代码的“模具”，它允许你编写与类型无关的代码，就像一个通用的蓝图，能根据需要生成特定类型的函数。

2.2 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){}

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

这里的typename关键词（或可使用class）定义了模板参数，Swap函数接受任何类型T的引用。

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

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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，对于字符类型也是如此。

2.4 函数模板的实例化

隐式实例化：编译器自动根据实参类型推导模板参数类型。

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);
/*
该语句不能通过编译，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，
编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要
背黑锅
Add(a1, d1);
*/
// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
	Add(a, (int)d);
	return 0;
}

显式实例化：用户在调用时指定模板参数类型。

int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

2.5 模板参数的匹配原则

模板函数和非模板函数共存时，优先调用非模板函数，除非模板实例化能提供更好的匹配。

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;
}
void Test()
{
	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
}

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;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Add(1, 2.0); // 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
}

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

3. 类模板：更进一步的通用性

3.1 类模板的定义

类模板允许类本身成为“模具”，可以为不同的类型实例化不同的类。

template<typename T>
class Stack
{
    // 类成员定义
};

#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double
	return 0;
}

3.2 类模板的实例化

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double

实例化后的Stack<int>才是真正的类，而Stack本身只是一种模板，用于生成类。

结论：模板的力量

模板是C++泛型编程的基石，它极大地提升了代码的复用性和维护性。无论是函数模板还是类模板，都能让你的代码更简洁、更高效。掌握模板，你将能驾驭C++的泛型编程，编写出更加灵活和强大的程序。

标签：初阶,函数,int,C++,编译器,right,模板,left
From： https://blog.csdn.net/TTKunn/article/details/141829729

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