【C++】初识模板，拿来吧你

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平凡的人1 发表于 2022/11/15 23:56:39 2022/11/15
【摘要】 @[toc] 一、泛型编程如何实现一个通用的交换函数呢？ 我们可以针对不同的数据类型写出不同的交换函数void Swap(int& left, int& right){ int temp = left; left = right; right = temp;}void Swap(double& left, double& right){ double temp = ...

@[toc]

一、泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？ 我们可以针对不同的数据类型写出不同的交换函数

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：

  1. 重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数

  2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

这样子太过于麻烦了，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❓有的👇

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：

image-20221018232252049

二、函数模板

1.函数模板概念

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.函数模板格式

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;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);

	double c = 1.0, d = 2.0;
	Swap(c, d);
	
	char e = 'a', f = 'b';
	Swap(c, d);

	return 0;
}

==注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)==

同时，针对Swap的命名，不要用小写swap，会报错:

image-20221019220152823

这是与库里面的swap()造成了冲突，所以我们用命名空间来解决这个问题：

image-20221019220654331

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 。

image-20221019233036881

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。

4 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。

相同的类型则调用同一个函数

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(a, b);

	int x = 1, y = 2;
	Swap(x, y);
	return 0;
}

我们可以来看一下汇编代码：

image-20221018165442643

同时，我们需要注意下面的情况。

image-20221018193647067

模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化

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

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}


int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
	cout<<Add(a1, a2)<<endl;
	cout<<Add(d1, d2)<<endl;
	/*
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;
}

同时，对于const修饰的问题，我们也应该去关注一下下哈👇

image-20221018204105316

2. 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, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
	//自动推演实例化
	cout<<Add(a1, a2)<<endl;
	cout<<Add(d1, d2)<<endl;

	cout << Add(a1, (int)d2) << endl;
	cout << Add((double)a1, d2) << endl;

	//显示实例化
	cout << Add<double>(a1, d2) << endl;
	cout << Add<int>(a1, d2) << endl;

	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。

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(这也就说明函数名修饰不一样)，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()
{
	int a = 1, b = 2;
	cout << Add(a, b) << endl;// 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
    cout<< Add<int>(1, 2)<<endl; // 调用编译器特化的Add版本
	return 0;
}

image-20221018211104790

  1. 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
  1. 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

三、类模板

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 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，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。

template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "Stack(int capacity = )" << capacity << endl;
		_a = (T*)malloc(sizeof(T) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		free(_a);
		_top = _capacity = 0;
	}
	void Push(const T& x)
	{
		_a[_top++] = x;
	}
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};


int main()
{
	//类模板一般没有推演时机，函数模板实参传递形参，推演模板参数
	//显示实例化
	//他们是同一个类模板实例化出来的
	//但是模板参数不同，他们就是不同类型
	Stack<double> st1;
	st1.Push(1.1);

	Stack<int> st2;
	st2.Push(2);
	return 0;
}

四、模板不支持分离编译（了解）

先构造一个实际的情形，以之前简单的模板为例子：

Stack.h

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4);
	~Stack();
	void Push(const T& x);

private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

Stack.cpp

#include "Stack.h"
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
{
	cout << "Stack(int capacity = )" << capacity << endl;

	_a = (T*)malloc(sizeof(T)*capacity);
	if (_a == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	_top = 0;
	_capacity = capacity;
}

template<class T>
Stack<T>::~Stack()
{
	cout << "~Stack()" << endl;
	free(_a);
	_a = nullptr;
	_top = _capacity = 0;
}

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	_a[_top++] = x;
}

#include "Stack.h"
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
{
	cout << "Stack(int capacity = )" << capacity << endl;

	_a = (T*)malloc(sizeof(T)*capacity);
	if (_a == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	_top = 0;
	_capacity = capacity;
}

template<class T>
Stack<T>::~Stack()
{
	cout << "~Stack()" << endl;
	free(_a);
	_a = nullptr;
	_top = _capacity = 0;
}

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	_a[_top++] = x;
}

test.cpp

int main()
{
	Stack<int> st;
	st.Push(1);
	st.Push(2);
	return 0;
}

但是我们一运行，我们会发现发生了链接错误：

image-20221019223030278

普通函数是支持分离编译的。模板是不支持分离编译的。

原因：

在预编译/预处理阶段，生成Stack.i,test.i

在编译，生成Stack.s test.s

汇编中翻译成stack.o test.o

在最后通过链接生成可执行程序。

image-20221019225534959

解决方法：

法1.在Stack.cpp中显示实例化（这里偷个懒，截个图小看一下哈）

image-20221019225916308

这种方法需要每次根据test.cpp定义的栈类型而显示实例化类型。比较麻烦

法2.不分离定义到两个文件.h和.cpp中，直接在同一个文件中定义

image-20221019230621459

这里我们先简单了解一下。

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C++ 面向对象编程
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