C++中的函数模板和类模板

前言

在我们进行大型程序的编写时往往会遇到一类问题，同一个函数或类我们希望多种类型数据传入时都能完成类似或者相同的功能，但是在C语言中我们很难做到这一点因为我们往往在换了一个数据类型后就要重新写一遍函数，这样耽误我们大量的时间，那么有没有一种语法在C++中能够使让我们的代码成为一种模板，不同的数据类型传入也依然能够执行类似的功能呢？

正所谓世界是由懒人创造的，于是在C++中引入了模板这一概念，同时也正得益于此使我们可以做到泛型编程，使我们的代码极大程度的可以复用。

一：泛型编程

之前我们实现一个通用的交换函数

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通用的交换函数，但是也有以下的缺点：

• 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
• 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

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。

二：模板

模板是实现泛型编程的基础，其中又可细分为函数模板和类模板。

编译器根据调用函数模板和类模板的类型，实例化出对应的模板和类。

2.1 函数模板的概念

函数模板是生成一个家族的函数，根据实参类型产生函数的特定类型版本，其中我们可以使用任意类型的参数进行传入。

格式：template< class T >

#include <iostream>
using namespace std;
//定义函数模板,T为任意类型
//class 也可替换为 typename
template<class T>
void Swap(T& a, T& b){
    T t = a;
    a = b;
    b = t;
}

int main(){
    int a = 4, b = 5;
    double c = 6, d = 7;
    Swap(a, b);
    Swap(c, d);
    cout << a << " " << b << endl;
    cout << c << " " << d << endl;
}

2.2 函数模板的原理

函数模板并不是函数，在编译器预处理阶段，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。

2.3 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。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

• 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 = 10.0, d2 = 20.0;
	// 隐式实例化
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);
	return 0;
}

• 显示实例化：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 = 10.0, d2 = 20.0;
	// 显示实例化
	Add<int>(a1, d1);
	return 0;
}

2.4 模板参数的匹配原则

1. 非模板函数可以和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
}

2. 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
}

2.5 类模板的概念

类模板与函数模板类似，是使用一个模板参数来构造整个类，并且原理也与函数模板类似，只有在类构造对象时才会推演模板参数进行实例化，实例化出我们想要的类。

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;
}

2.6 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。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;