快捷導(dǎo)航

C++模板全方位深入解讀

更新時(shí)間：2022年06月06日 10:20:07 作者：林慢慢腦瓜子嗡嗡的

人們需要編寫(xiě)多個(gè)形式和功能都相似的函數(shù)，因此有了函數(shù)模板來(lái)減少重復(fù)勞動(dòng)；人們也需要編寫(xiě)多個(gè)形式和功能都相似的類(lèi)，于是?C++?引人了類(lèi)模板的概念，編譯器從類(lèi)模板可以自動(dòng)生成多個(gè)類(lèi)，避免了程序員的重復(fù)勞動(dòng)

1.泛型編程

如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的交換函數(shù)？

這點(diǎn)函數(shù)重載可以做到，比如一下Swap函數(shù)的重載，分別重載了倆種不同參數(shù)類(lèi)型的Swap

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
void Swap(char& x, char& y)
{
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

但是這也帶來(lái)了幾點(diǎn)不好的地方：

1.重載的函數(shù)僅僅是類(lèi)型不同，代碼的復(fù)用率比較低，只要有新類(lèi)型出現(xiàn)，就需要增加對(duì)應(yīng)的函數(shù)

2.代碼的可維護(hù)性比較低，一個(gè)出錯(cuò)可能所有的重載均出錯(cuò)

那么有什么好的解決方法嗎？我們能否告訴編譯器一個(gè)模子，讓編譯器根據(jù)不同類(lèi)型利用該模子自己去生成相應(yīng)的代碼呢？

當(dāng)然能，這就是泛型編程，即編寫(xiě)與類(lèi)型無(wú)關(guān)的通用代碼，這是代碼復(fù)用的一種手段。而模板是泛型編程的基礎(chǔ)。模板分為兩種，函數(shù)模板和類(lèi)模板。

2.函數(shù)模板

概念

函數(shù)模板代表了一個(gè)函數(shù)家族，該函數(shù)模板與類(lèi)型無(wú)關(guān)，在使用時(shí)被參數(shù)化，根據(jù)實(shí)參類(lèi)型產(chǎn)生函數(shù)的特定類(lèi)型版本。

函數(shù)模板的格式

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

即：返回值類(lèi)型函數(shù)名(參數(shù)列表){}

其中typename可以改成class（不能用struct）

例：

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

函數(shù)模板的原理

函數(shù)模板是一個(gè)藍(lán)圖，它本身并不是函數(shù)，是編譯器用使用方式產(chǎn)生特定具體類(lèi)型函數(shù)的模具。所以其實(shí)模板就是將本來(lái)應(yīng)該我們做的重復(fù)的事情交給了編譯器。

在編譯器編譯階段，對(duì)于模板函數(shù)的使用，編譯器需要根據(jù)傳入的實(shí)參類(lèi)型來(lái)推演生成對(duì)應(yīng)類(lèi)型的函數(shù)以供調(diào)用。比如：當(dāng)用double類(lèi)型使用函數(shù)模板時(shí)，編譯器通過(guò)對(duì)實(shí)參類(lèi)型的推演，將T確定為double類(lèi)型，然后產(chǎn)生一份專(zhuān)門(mén)處理double類(lèi)型的代碼，對(duì)于字符類(lèi)型也是如此。

函數(shù)模板的實(shí)例化

用不同類(lèi)型的參數(shù)使用函數(shù)模板時(shí)，稱(chēng)為函數(shù)模板的實(shí)例化。模板參數(shù)的實(shí)例化分為兩種：隱式實(shí)例化和顯式實(shí)例化。

隱式實(shí)例化

讓編譯器自己推演函數(shù)參數(shù)的類(lèi)型。

需要注意的是隱式實(shí)例化的參數(shù)一定要匹配，否則可能產(chǎn)生分歧導(dǎo)致編譯器無(wú)法識(shí)別。比如：

template<typename T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, b1 = 20;
	double a2 = 10.0, b2 = 20.0;
	Add(a1, b2);
	return 0;
}

編譯器報(bào)錯(cuò)，該語(yǔ)句不能通過(guò)編譯,因?yàn)闊o(wú)法確定T是int還是double。

如何處理？有兩種方式：

1.強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換！但值得注意的是，強(qiáng)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量，臨時(shí)變量是具有常性的，需要const修飾一下！

2.使用顯式實(shí)例化

顯式實(shí)例化

在函數(shù)名后的< >中指定模板參數(shù)的實(shí)際類(lèi)型。

template<typename T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, b1 = 20;
	double a2 = 10.0, b2 = 20.0;
	cout<<Add<int>(a1, b2)<<endl;
	return 0;
}

模板參數(shù)的匹配原則

1.一個(gè)非模板函數(shù)可以和一個(gè)同名的函數(shù)模板同時(shí)存在，而且該函數(shù)模板還可以被實(shí)例化為這個(gè)非模板函數(shù)。

2.對(duì)于非模板函數(shù)和同名函數(shù)模板，如果其他條件都相同，在調(diào)動(dòng)時(shí)會(huì)優(yōu)先調(diào)用非模板函數(shù)而不會(huì)從該模板產(chǎn)生出一個(gè)實(shí)例。如果模板可以產(chǎn)生一個(gè)具有更好匹配的函數(shù)，那么將選擇模板

3.模板函數(shù)不允許自動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換，但普通函數(shù)可以進(jìn)行自動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換

如果有定義出來(lái)的函數(shù),且類(lèi)型完全匹配調(diào)用時(shí)實(shí)參類(lèi)型,則執(zhí)行定義出來(lái)的函數(shù).如果定義出來(lái)的函數(shù),不符合,則執(zhí)行模板推演.
這部分沒(méi)啥難度，不再舉例說(shuō)明，總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于函數(shù)調(diào)用的優(yōu)先級(jí)就是：完全匹配 >模板匹配 >轉(zhuǎn)換匹配。

3.類(lèi)模板

(1) 類(lèi)模板的定義格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 類(lèi)模板名
{
 // 類(lèi)內(nèi)成員定義
};

注意：

類(lèi)模板中函數(shù)放在類(lèi)外進(jìn)行定義時(shí)，需要加模板參數(shù)列表；

template <typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new T[capacity])
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}
	void Push(T x);
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
// 注意：類(lèi)模板中函數(shù)放在類(lèi)外進(jìn)行定義時(shí)，需要加模板參數(shù)列表
template <typename T>
void Stack<T>::Push(T x)
{
	if (_top == _capacity)
	{
		_capacity *= 2;
		T* tmp = (T*)realloc(_a, sizeof(int) * _capacity);
		if (tmp == nullptr)
		{
			cout << "realloc fail" << endl;
			exit(-1);
		}
		_a = tmp;
	}
	_a[_top++] = x;
}

對(duì)于普通類(lèi)，類(lèi)名就是類(lèi)型；對(duì)于類(lèi)模板，類(lèi)名不是類(lèi)型，類(lèi)型是Class < T >

(2) 類(lèi)模板的實(shí)例化

類(lèi)模板實(shí)例化與函數(shù)模板實(shí)例化不同，類(lèi)模板實(shí)例化需要在類(lèi)模板名字后跟 < >，然后將實(shí)例化的類(lèi)型放在<>中即可，類(lèi)模板名字不是真正的類(lèi)，而實(shí)例化的結(jié)果才是真正的類(lèi)。

int main()
{
	// Stack只是類(lèi)名，不是類(lèi)型，Stack<int>才是類(lèi)型
	Stack<int> s1;
	Stack<char> s2;
	return 0;
}

4.非類(lèi)型模板參數(shù)

類(lèi)型參數(shù)：就是在模板的參數(shù)列表中在class后面加上參數(shù)的類(lèi)型名稱(chēng)。

非類(lèi)型參數(shù)：就是用一個(gè)常量作為類(lèi)(函數(shù))模板的一個(gè)參數(shù)，在類(lèi)(函數(shù))模板中可將該參數(shù)當(dāng)成常量來(lái)使用。

注意兩點(diǎn)：

1.浮點(diǎn)數(shù)、類(lèi)對(duì)象以及字符串是不允許作為非類(lèi)型模板參數(shù)的。

2.非類(lèi)型的模板參數(shù)必須在編譯期就能確認(rèn)結(jié)果。

template<class T =int, size_t N = 10>
class array
	{
		 private:
	 	 T _array[N];
		 size_t _size;
	 }

5.模板特化

(1)函數(shù)模板的特化

當(dāng)針對(duì)某一情景或者某一類(lèi)型，函數(shù)模板無(wú)法滿足要求，模板需要有特殊的處理，這個(gè)時(shí)候就需要用到模板的特化。

比如咱們要比較兩個(gè)字符串是否相同：

template<class T>
bool IsEqual(T str1, T str2)
{
	return str1 == str2;
}
int main()
{
	char str1[] = "hello";
	char str2[] = "hello";
	if (IsEqual(str1, str2))
		cout << "true";
	else
		cout << "false";
}

上述代碼輸出false，不滿足咱們的要求，因?yàn)檎{(diào)用函數(shù)IsEqual()時(shí)傳遞過(guò)去的是兩個(gè)char*類(lèi)型，他們兩個(gè)比較的不是字符串的內(nèi)容，而是指針的地址，所以返回false。

此時(shí)模板特化派上用場(chǎng)了：如果要比較char*, 可以用strcmp來(lái)對(duì)這個(gè)情況進(jìn)行特殊處理

template<>
bool IsEqual<char*>(char* str1, char* str2)
{
	return strcmp(str1, str2) == 0;
}

此時(shí)就返回true，符合預(yù)期了。

函數(shù)模板的特化步驟：

必須要先有一個(gè)基礎(chǔ)的函數(shù)模板
關(guān)鍵字template后面接一對(duì)空的尖括號(hào)<>
函數(shù)名后跟一對(duì)尖括號(hào)，尖括號(hào)中指定需要特化的類(lèi)型
函數(shù)形參表: 必須要和模板函數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)類(lèi)型完全相同

(2)類(lèi)模板的特化

類(lèi)也是同理，如果需要有特殊情景也需要特化處理

以如下類(lèi)舉例(后邊全特化、偏特化都針對(duì)它）：

template<class T1, class T2>
class test
{
public:
	test()
	{
		cout << "test<T1, T2>" << endl;
	}
private:
	T1 _x;
	T2 _y;
};

全特化

全特化即是將模板參數(shù)列表中所有的參數(shù)都確定化。

例如：

這里對(duì)test<int,double>版本特化

template<>
class test<int, double>
{
public:
	test()
	{
		cout << "test<int, double>" << endl;
	}
private:
	int _x;
	double _y;
};
int main()
{
	test<double, double> t1;
	test<int, double> t2;
}

偏特化

偏特化即是任何針對(duì)模版參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行條件限制設(shè)計(jì)的特化版本

偏特化有兩種表現(xiàn)方式，一種是部分參數(shù)特化，一種是參數(shù)修飾特化

部分參數(shù)特化

這里對(duì)第二個(gè)參數(shù)特化，只要第二個(gè)參數(shù)是double就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)特化版本

template<class T1>
class test<T1, double>
{
public:
	test()
	{
		cout << "test<T1, double>" << endl;
	}
private:
	T1 _x;
	double _y;
};
int main()
{
	test<double, double> t1;
	test<int, double> t2;
}

參數(shù)修飾特化

比如用指針或者引用來(lái)修飾類(lèi)型，也可以進(jìn)行特化

template<class T1, class T2>
class test<T1*, T2*>
{
public:
	test()
	{
		cout << "test<T1*, T2*>" << endl;
	}
private:
	T1* _x;
	T2* _y;
};
int main()
{
	test<int*, double*> t;
}

6.模板的分離編譯

對(duì)于一個(gè)代碼量比較多的項(xiàng)目，通常都會(huì)采用聲明與定義分離的方法，比如在頭文件進(jìn)行聲明，在源文件完成代碼的實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)鏈接的方法鏈接成單一的可執(zhí)行文件。但是C++的編譯器卻不支持模板的分離編譯，一旦進(jìn)行分離編譯，就會(huì)出現(xiàn)鏈接錯(cuò)誤。

問(wèn)題分析

//頭文件a.h
template<class T>
bool IsEqual(const T& str1, const T& str2);
-------------
//源文件a.cpp
template<class T>
bool IsEqual(const T& str1, const T& str2)
{
	return str1 == str2;
}
--------------
//test.c
#include<iostream>
#include"a.h"
using namespace std;
int main()
{
	cout << IsEqual(3, 5);
	cout << IsEqual('a', 'b');
}

這里看上去是沒(méi)有問(wèn)題的，但是涉及到了模板的實(shí)例化規(guī)則。

當(dāng)主函數(shù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候他就會(huì)去頭文件中找到函數(shù)的聲明，再通過(guò)聲明找到a.h中的實(shí)現(xiàn)。

但是對(duì)于模板卻并不會(huì)這樣，因?yàn)樯弦徽抡f(shuō)過(guò)，模板的實(shí)例化只會(huì)在其第一次使用的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行，例如這里IsEqual(3, 5),他就會(huì)去頭文件中尋找，但是頭文件中只有聲明，沒(méi)有定義，無(wú)法將其實(shí)例化。他又想通過(guò)找到a.cpp中的函數(shù)定義來(lái)進(jìn)行實(shí)例化，但是遺憾的是，a.cpp中只有IsEqual(const T& str1, const T& str2)的定義，沒(méi)有IsEqual(const int & str1, const int T& str2)，因?yàn)樵赼.cpp中并沒(méi)有使用到該類(lèi)型的實(shí)例，所以自然也不會(huì)為其實(shí)例化出來(lái)，這時(shí)test.cpp中就根本無(wú)法找到這個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，就導(dǎo)致了鏈接失敗。

解決方法:

這個(gè)問(wèn)題其實(shí)沒(méi)有什么完美的解決方法