C++之模板＜template＞

前言
-  模板
1、泛型编程
2、函数模板
- 2.1、函数模板的概念
- 2.2、函数模板的格式
-  2.3、函数模板的原理
- 2.4、函数模板的实例化
-  2.5、模板参数的匹配原则
 3、类模板
-  3.1、类模板的概念
-  3.2、类模板的格式
- 3.3、类模板的实例化
 4、非类型模板参数
 5、模板的特化
- 5.1、特化的概念
- 5.2、函数模板的特化
5.3、类模板特化
-  5.3.1、类模板全特化
-  5.3.2、类模板的偏特化
6、模板的分离编译
- 6.1、什么是分离编译
- 6. 2、解决方法
7、模板总结

前言

通过这篇文章，我们可以了解到模板的机制和基础语法！！！

 模板

模板是构建一个通用函数或类的蓝图或者说是公式，是基于蓝图来创建的！！！

1、泛型编程

如何实现一个通用的编程呢？

//在没有泛型编程时，只能使用函数重载逐个写
void Sweap(int& pa, int& pb)
{
	int temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

void Sweap(double& pa, double& pb)
{
	double temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

void Sweap(char& pa, char& pb)
{
	char temp = pa;
	pa = pb;
	pb = 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：

重载的函数仅仅是参数列表中的类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那能不能生成一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

如果在C++中，也能够存在这样的一个模具
通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉

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

模板分为：函数模板和类模板

2、函数模板 2.1、函数模板的概念

函数模板代表了一个函数的家族，该函数模板与类型无关
在使用时被参数化，根据实参类型来推导模板类型参数的特定版本

注意：函数模板只是一个蓝图，在实例化时，根据推导的参数的类型来生成特定的版本

2.2、函数模板的格式

template
函数返回类型函数名 (参数列表) { }

template 
void Sweap(T& pa, T& pb)
{
	T temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

程序解析：

模板定义从template关键字开始，后面的尖括号<>为模板参数列表
尖括号<>中的typename关键字是模板的类型参数，可以将其看做类型说明符
类型参数可以用来指定函数返回类型或函数参数类型…

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

//C++早期就是使用class来定义模板参数的
template 
void Sweap(T& pa, T& pb)
{
	T temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

//不可以，可能struct只是为了兼容C而存在的，模板中不支持它
template 
void Sweap(T& pa, T& pb)
{
	T temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

 2.3、函数模板的原理

先举个栗子：

大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力
机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成
有人给出了论调：懒人创造世界

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

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

template 
void Sweap(T& pa, T& pb)
{
	T temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

int main()
{
	double a1 = 1.11, a2 = 2.22;
	Sweap(a1, a2);
	return 0;
}

注意：反汇编中的call Sweap< double >是指定了特定的类型来进行函数模板的实例化

2.4、函数模板的实例化

概念：

用不同的类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化
模板实例化分为：隐式实例化和显式实例化

隐式实例化：让编译器根据实参（调用的参数）推演模板参数的实际类型

template
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);



	// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制类型转化 2. 使用显式实例化
	Add(a1, int(d1));
	Add(a1, d1);
	return 0;
}

注意：当形参与实参类型不符合时，引用会指向一个生成的临时变量，必须加const

显式实例化：在函数名后加上<>，<>中指定模板参数的实际类型

template 
void Sweap(T& pa, T& pb)
{
	T temp = pa;
	pa = pb;
	pb = temp;
}

int main()
{
	double a1 = 1.11, a2 = 2.22;
	Sweap(a1, a2); // 显式实例化
	return 0;
}

注意：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

 2.5、模板参数的匹配原则

一个非模板函数可以和一个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
T1 Add(T1 left, T2 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(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

注意：非模板函数的匹配优先级比函数模板高，因为函数不需要实例化

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
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
}

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

 3、类模板  3.1、类模板的概念

类模板（class template）是用来生成类的蓝图（模子）的
与函数模板不同的是：不能隐式为类模板推断模板类型参数的类型
实例化时需要显式指定类型

 3.2、类模板的格式

template
class 类名{ };

//简单的类模板定义
template 
class A
{
public:
	A(T a)
		: _a(a)
	{}
private:
	T _a;
};

Ps：定义与函数模板无恙，都是使用template关键字，后面跟上<>模板参数列表，<>里面为类型参数（类型说明符）typename/class

写一个栗子，展示一下：

//动态顺序表，简单实现重要接口
template 
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
	//在类外演示类模板成员函数的定义
	~Vector();

	void PushBack(const T& data)
	{
		//判断容量是否已满
		if (_size == _capacity)
		{
			//扩容，一次扩二倍
			T* p = new T[_capacity * 2];
			//这里不能使用strcpy和memcpy，因为类型不确定
			for (int i = 0; i < _size; ++i)
			{
				p[i] = _pData[i];
			}
			_pData = p;
			_capacity *= 2;
		}
		_pData[_size] = data;
		++_size;
	}

	void PopBack()
	{
		assert(_size > 0);
		--_size;
	}
	// ......
	
	//重载[]运算符
	size_t Size() { return _size; }
	T& operator[](size_t pos)
	{
		//左闭右开区间[0, _size)
		assert(pos >= 0 && pos < _size);
		return _pData[pos];
	}

	T& operator[](size_t pos) const
	{
		assert(pos >= 0 && pos < _size);
		return _pData[pos];
	}
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

//类模板成员函数在类外定义：必须加上类模板的参数列表
template 
Vector::~Vector() //必须指定类域，~Vector是属于Vector类模板的成员函数
{
	if(_pData)
		delete[] _pData;
	_size = 0;
	_capacity = 0;
}

int main()
{
	//模板实例化，等下会讲到
	Vector v1(1);
	v1.PushBack(1);
	v1.PushBack(2);
	v1.PushBack(3);
	v1.PushBack(4);
	cout << v1[3] << endl;
	return 0;
}

注意：在类外定义类模板成员函数时，必须带上模板参数列表！！！

3.3、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，而实例化后的类才是真正的类

// Vector类名，Vector才是类型
Vector v1;
Vector v2;

// .......

注意：类模板实例化也叫：显式实例化，将特定的类型绑定到模板参数列表中…

 4、非类型模板参数

概念：

模板类型参数分为二种：类型参数和非类型参数（常量值）
类型参数：出现在模板参数列表中，<>中存在class或typename的参数类型名称
非类型参数：使用一个常量作为类（函数）模板的某个参数，在类（函数）模板中可将该参数当初常量来使用

举个栗子：

namespace Array
{
	//静态数组模板
	template // 模板参数列表中指定了类型
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }
		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

int main()
{
	//非类型模板参数，必须使用常量值进行传参
	Array::array a;
	for (int i = 0; i < 5; ++i)
		a[i] = i;
	return 0;
}

注意：

浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果

 5、模板的特化 5.1、特化的概念

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理，比如：

//定义一个结构体
struct Date
{
	int _year = 1;
	int _month = 1;
	int _day = 1;
};

template
bool IsEqual(T left, T right)
{
	return left == right;
}

// 函数模板的特化（针对某些类型的特殊化处理
bool IsEqual(Date* left, Date* right)
{
	return left->_year == right->_year
		&& left->_month == right->_month
		&& left->_day == right->_day;
}

int main()
{
	cout << IsEqual(1, 2) << endl;
	Date* p1 = new Date;
	Date* p2 = new Date;
	//如果没有特化函数模板，则比较的将是指针，那是无意义的
	cout << IsEqual(p1, p2) << endl;
	return 0;
}

结论：此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。模板特化中分为函数模板特化与类模板特化

5.2、函数模板的特化

函数模板的特化步骤：

必须要先有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

struct Date
{
	int _year = 1;
	int _month = 1;
	int _day = 1;
};

template
bool IsEqual(T left, T right)
{
	return left == right;
}

// 函数模板的特化（针对某些类型的特殊化处理）
template<>
bool IsEqual(Date* left, Date* right)
{
	return left->_year == right->_year
		&& left->_month == right->_month
		&& left->_day == right->_day;
}

int main()
{
	//call IsEqual
	cout << IsEqual(1, 2) << endl;
	Date* p1 = new Date;
	Date* p2 = new Date;
	// call IsEqual
	cout << IsEqual(p1, p2) << endl;
	return 0;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出

5.3、类模板特化  5.3.1、类模板全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化：

namespace N
{
    //类模板参数表(<>)中的类型参数(typename/class)和非参数类型(int n)都可以定义默认值(类型)
    template 
    class M
    {
    private:
        T1 a;
        T2 b;

    public:
        M() : a(0), b(0) {}
        M(const T1 &a_, const T2 &b_) : a(a_), b(b_) {}
        void Show() const { cout << a << ' ' << b << ' ' << n << endl; }
    };

}

//全特化(特定的)类模板成员函数-> template后面尖括号为空时，说明是全特化
template <>
void N::M::Show() const
{
    cout << a << ' ' << b << endl;
}

//全特化类模板-> template后面尖括号为空时，说明是全特化
template <>
class N::M
{
private:
    char *str;
    int size;

public:
    M() : size(0)
    {
        str = new char[0];
        str[0] = '';
    }
    M(const char *st, int sz) : size(sz)
    {
        str = new char[sz];
        strcpy(str, st);
    }
    ~M() { delete[] str; }
    void Show() const { cout << str << endl; }
};

 5.3.2、类模板的偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于以下模板类：

template
class Data
{
public:
    Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表现方式：

部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化

// 将第二个参数特化为int
template 
class Data
{
public:
    Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
    T1 _d1;
    int _d2;
};

参数更进一步的限制：偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本

//两个参数偏特化为指针类型
template 
class Data 
{
public:
    Data() { cout << "Data" << endl; }

private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template 
class Data 
{
public:
    Data(const T1& d1, const T2& d2)
        : _d1(d1)
        , _d2(d2)
    {
        cout << "Data" << endl;
    }

private:
    const T1& _d1;
    const T2& _d2;
};
void test2()
{
    Data d1;    // 调用特化的int版本
    Data d2;    // 调用基础的模板  
    Data d3;    //  调用特化的指针版本
    Data d4(1, 2);  // 调用特化的指针版本
}

再举一个清晰的栗子：

namespace N
{
    //声明一个类模板
    template 
    class M
    {
    private:
        T1 a;
        T2 b;
    public:
        M() : a(0), b(0) {}
        M(const T1& a_, const T2& b_) : a(a_), b(b_) {}
        void Show() const
        {
           cout << "a = " << a << "   "
               << "b = " << b << endl;
        }
    };
}

//偏特化（部分特化）模板 -> templa后面尖括号不能为空，否则为全特化
// N::M后面尖括号表示T1类型不变，T2替换为int
template 
class N::M
{
private:
    T1 a;
    int b;

public:
    M() : a(0), b(0) {}
    M(const T1& a_, const int b_) : a(a_), b(b_) {}
    void Show() const;
};

//进一步对偏特化进行限制,限制二个模板类型参数必须是指针
template 
void N::M::Show() const
{
    cout << "a = " << a << "    "
        << "b = " << b << endl;
}

6、模板的分离编译 6.1、什么是分离编译

什么是分离编译？

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式

假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}

// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    return 0;
}

注意：每个.cpp文件都会单独编译生成.obj，main.obj找不到call Add(1, 2) 和 call Add(1.0, 2.0)的实例化，然后将希望寄托于链接器，但是test.obj中的定义的模板没有被实例化（没有被调用），所以链接时会导致错误！！！

6. 2、解决方法

将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种

// a.h 或 a.hpp --- 声明和定义都放在.h/.hpp
template
T Add(const T& left, const T& right);

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

// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    return 0;
}

模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用

// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}

//进行显示指定类型实例化
template int Add(const int& left, const int& right);
template int double(const double& left, const double& right);

// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    return 0;
}

注意：在无实参调用下实例化时，template后面没有<>，后面跟指定类型的函数

【分离编译扩展阅读】

7、模板总结

【优点】

模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生
增强了代码的灵活性

【缺陷】

模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

全部知识点已经写完，感谢支持！！！

C++之模板＜template＞

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