C++模板全方位深入解讀
1.泛型編程
如何實(shí)現(xiàn)一個通用的交換函數(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;
}
但是這也帶來了幾點(diǎn)不好的地方：
1.重載的函數(shù)僅僅是類型不同，代碼的復(fù)用率比較低，只要有新類型出現(xiàn)，就需要增加對應(yīng)的函數(shù)
2.代碼的可維護(hù)性比較低，一個出錯可能所有的重載均出錯
那么有什么好的解決方法嗎？我們能否告訴編譯器一個模子，讓編譯器根據(jù)不同類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，即編寫與類型無關(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)模板和類模板。
2.函數(shù)模板
概念
函數(shù)模板代表了一個函數(shù)家族，該函數(shù)模板與類型無關(guān)，在使用時(shí)被參數(shù)化，根據(jù)實(shí)參類型產(chǎn)生函數(shù)的特定類型版本。
函數(shù)模板的格式
template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
即：返回值類型 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)生特定具體類型函數(shù)的模具。所以其實(shí)模板就是將本來應(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，對于模板函數(shù)的使用，編譯器需要根據(jù)傳入的實(shí)參類型來推演生成對應(yīng)類型的函數(shù)以供調(diào)用。比如：當(dāng)用double類型使用函數(shù)模板時(shí)，編譯器通過對實(shí)參類型的推演，將T確定為double類型，然后產(chǎn)生一份專門處理double類型的代碼，對于字符類型也是如此。
函數(shù)模板的實(shí)例化
用不同類型的參數(shù)使用函數(shù)模板時(shí)，稱為函數(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)致編譯器無法識別。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，該語句不能通過編譯,因?yàn)闊o法確定T是int還是double。
如何處理？有兩種方式：
1.強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換！但值得注意的是，強(qiáng)轉(zhuǎn)會產(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
1.一個非模板函數(shù)可以和一個同名的函數(shù)模板同時(shí)存在，而且該函數(shù)模板還可以被實(shí)例化為這個非模板函數(shù)。
2.對于非模板函數(shù)和同名函數(shù)模板，如果其他條件都相同，在調(diào)動時(shí)會優(yōu)先調(diào)用非模板函數(shù)而不會從該模板產(chǎn)生出一個實(shí)例。如果模板可以產(chǎn)生一個具有更好匹配的函數(shù)， 那么將選擇模板
3.模板函數(shù)不允許自動類型轉(zhuǎn)換，但普通函數(shù)可以進(jìn)行自動類型轉(zhuǎn)換
- 如果有定義出來的函數(shù),且類型完全匹配調(diào)用時(shí)實(shí)參類型,則執(zhí)行定義出來的函數(shù).如果定義出來的函數(shù),不符合,則執(zhí)行模板推演.
- 這部分沒啥難度，不再舉例說明，總的來說，對于函數(shù)調(diào)用的優(yōu)先級就是：完全匹配 >模板匹配 >轉(zhuǎn)換匹配。
3.類模板
(1) 類模板的定義格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 類模板名
{
// 類內(nèi)成員定義
}; 注意：
類模板中函數(shù)放在類外進(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：類模板中函數(shù)放在類外進(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;
}
對于普通類，類名就是類型；對于類模板，類名不是類型，類型是Class < T >
(2) 類模板的實(shí)例化
類模板實(shí)例化與函數(shù)模板實(shí)例化不同，類模板實(shí)例化需要在類模板名字后跟 < >，然后將實(shí)例化的類型放在<>中即可，類模板名字不是真正的類，而實(shí)例化的結(jié)果才是真正的類。
int main()
{
// Stack只是類名，不是類型，Stack<int>才是類型
Stack<int> s1;
Stack<char> s2;
return 0;
}
4.非類型模板參數(shù)
類型參數(shù)：就是在模板的參數(shù)列表中在class后面加上參數(shù)的類型名稱。
非類型參數(shù)：就是用一個常量作為類(函數(shù))模板的一個參數(shù)，在類(函數(shù))模板中可將該參數(shù)當(dāng)成常量來使用。
注意兩點(diǎn)：
1.浮點(diǎn)數(shù)、類對象以及字符串是不允許作為非類型模板參數(shù)的。
2.非類型的模板參數(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)針對某一情景或者某一類型，函數(shù)模板無法滿足要求，模板需要有特殊的處理，這個時(shí)候就需要用到模板的特化。
比如咱們要比較兩個字符串是否相同：
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)傳遞過去的是兩個char*類型，他們兩個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)模板特化派上用場了：如果要比較char*, 可以用strcmp來對這個情況進(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：
- 必須要先有一個基礎(chǔ)的函數(shù)模板
- 關(guān)鍵字template后面接一對空的尖括號<>
- 函數(shù)名后跟一對尖括號，尖括號中指定需要特化的類型
- 函數(shù)形參表: 必須要和模板函數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)類型完全相同
(2)類模板的特化
類也是同理，如果需要有特殊情景也需要特化處理
以如下類舉例(后邊全特化、偏特化都針對它）：
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
這里對第二個參數(shù)特化，只要第二個參數(shù)是double就會調(diào)用對應(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修飾類型，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
對于一個代碼量比較多的項(xiàng)目，通常都會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，就會出現(xiàn)鏈接錯誤。
問題分析
//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');
}
這里看上去是沒有問題的，但是涉及到了模板的實(shí)例化規(guī)則。
當(dāng)主函數(shù)調(diào)用這個函數(shù)的時(shí)候他就會去頭文件中找到函數(shù)的聲明，再通過聲明找到a.h中的實(shí)現(xiàn)。
但是對于模板卻并不會這樣，因?yàn)樯弦徽抡f過，模板的實(shí)例化只會在其第一次使用的時(shí)候才會進(jìn)行，例如這里IsEqual(3, 5),他就會去頭文件中尋找，但是頭文件中只有聲明，沒有定義，無法將其實(shí)例化。他又想通過找到a.cpp中的函數(shù)定義來進(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，沒有IsEqual(const int & str1, const int T& str2)，因?yàn)樵赼.cpp中并沒有使用到該類型的實(shí)例，所以自然也不會為其實(shí)例化出來，這時(shí)test.cpp中就根本無法找到這個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，就導(dǎo)致了鏈接失敗。
解決方法:
這個問題其實(shí)沒有什么完美的解決方法
- 將聲明和定義放到同一個頭文件中。
- 類模板顯式實(shí)例化。
到此這篇關(guān)于C++模板全方位深入解讀的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++模板內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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