【C++】泛型編程；函數模板；類模板

一、泛型編程

以前我們寫過一個簡單的交換函數。我們不難發現交換函數是與類型有很大關係的，int，double....那麼如何實現一個通用的交換函數呢？

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;
}
......

使用函數重載雖然可以實現，但是有一下幾個不好的地方：

• 重載的函數僅僅只是類型不同，代碼的複用率比較低，只要有新類型出現時，就需要增加對應的函數
• 代碼的可維護性比較低，一個出錯可能所有的重載均出錯

那能否告訴編譯器一個模子，讓編譯器根據不同的類型利用該模子來生成代碼呢？

泛型編程：編寫與類型無關的通用代碼，是代碼複用的一種手段。模板是泛型編程的基礎。

二、函數模板

函數模板概念

函數模板代表了一個函數家族，該函數模板與類型無關，在使用時被參數化，根據實參類型產生函數的特定類型版本。

函數模板格式

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

返回值類型 函數名(參數列表) {}

下面來舉個栗子

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

【注意】typename是用來定義模板參數關鍵字，也可以使用class(切記：不能使用struct代替class)

 

函數模板的原理

模板是一個藍圖，它本身並不是函數，是編譯器用使用方式產生特定具體類型函數的模具。所以其實模板就是將本來應該我們做的重複的事情交給了編譯器。

在編譯器編譯階段，對於模板函數的使用，編譯器需要根據傳入的實參類型來推演生成對應類型的函數以供調用。比如：當用double類型使用函數模板時，編譯器通過對實參類型的推演，將T確定爲double類型，然後產生一份專門處理double類型的代碼，對於字符類型也是如此。

 

函數模板的實例化

但是其實在底層並沒有減少代碼量，雖然我們只寫了一個模板，但是有多個類型時，編譯器會自動推演出各個類型的代碼，這個推演過程就是實例化。

用不同類型的參數使用函數模板時，稱爲函數模板的實例化。模板參數實例化分爲：隱式實例化和顯式實例化。

 

• 隱式實例化：讓編譯器根據實參推演模板參數的實際類型

在下面的代碼中，我們並沒有寫T是什麼類型，編譯器在編譯時推出a1是int型，則生成一份類型爲int型的代碼，推出b1是double型，則生成一份類型是double的代碼。

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

【注意】在模板中，編譯器一般不會進行類型轉換操作，如下面這段代碼。

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 10;
	double b1 = 10.0, b2 = 20.0;
        /*
         Add(a1, b2); 
         該語句不能通過編譯，因爲在編譯期間，當編譯器看到該實例化時，需要推演其實參類型通過
       實參a1將T推演爲int，通過實參d1將T推演爲double類型，但模板參數列表中只有一個T，編譯
       器無法確定此處到底該將T確定爲int 或者 double類型而報錯 */
        Add(a1,(int)b2);
        return 0;
}

  此時有兩種處理方式：1. 用戶自己來強制轉化   2. 使用顯式實例化 

 

• 顯示實例化：在函數名後的<>中指定模板參數的實際類型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 顯式實例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

如果類型不匹配，編譯器會嘗試進行隱式類型轉換，如果無法轉換成功編譯器將會報錯。
 

模板參數匹配原則

1. 一個非模板函數可以和一個同名的函數模板同時存在，而且該函數模板還可以被實例化爲這個非模板函數

// 專門處理int的加法函數
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函數
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 與非模板函數匹配，編譯器不需要特化
	Add<int>(1, 2); // 調用編譯器特化的Add版本
}

2. 對於非模板函數和同名函數模板，如果其他條件都相同，在調動時會優先調用非模板函數而不會從該模板產生出一個實例。如果模板可以產生一個具有更好匹配的函數， 那麼將選擇模板。
 

// 專門處理int的加法函數
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函數
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 與非函數模板類型完全匹配，不需要函數模板實例化
	Add(1, 2.0); // 模板函數可以生成更加匹配的版本，編譯器根據實參生成更加匹配的Add函數
}

3. 模板函數不允許自動類型轉換，但普通函數可以進行自動類型轉換

總結起來就是：有現成的，就用現成的；沒有現成的，就編譯器根據參數自己推演，把模板實例化；如果指定了用模板，就必須用模板。

 

三、類模板

類模板的定義格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 類模板名
{
	// 類內成員定義
};

我們通過實現數據結構中的順序表來理解一下類模板

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;

template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity=10)
		:_array(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	~Vector()
	{
		if (_array)
		{
			delete[] _array;
			_array = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}
	void PushBack(const T& x)//void PushBack(Vector<int>*this,const T& x)
	{
		//但是不能自動增容
		_array[_size] = x;
		++_size;
	}
	size_t Size()
	{
		return _size;
	}
	T operator[](size_t pos)//數組[]運算符重載
	{
		assert(pos < _size);
		return _array[pos];
	}
private:
	T* _array;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

在這裏我們不難發現，類模板其實就是把之前創建一個類的時候的類型用T代替，在使用時進行實例化。

類模板的實例化

類模板實例化與函數模板實例化不同，類模板實例化需要在類模板名字後跟<>，然後將實例化的類型放在<>
中即可，類模板名字不是真正的類，而實例化的結果纔是真正的類。

int main()
{
	Vector<int> v1;//類模板一定要顯示實例化，否則沒辦法推演
	v1.PushBack(1);
	v1.PushBack(2);
	v1.PushBack(3);
	v1.PushBack(4);

	for (size_t i = 0; i < v1.Size(); ++i)
	{
		cout << v1[i] << " ";
		//cout << v1.operator[](i) << " ";
	}
	cout << endl;

	Vector<char> v2;
	v2.PushBack('a');
	v2.PushBack('b');
	v2.PushBack('c');
	v2.PushBack('d');
	for (size_t i = 0; i < v2.Size(); ++i)
	{
		cout << v2[i] << " ";
		//cout << v2.operator[](i) << " ";
	}
	cout << endl;
	system("pause");
	return 0;
}