【C++】模板初阶：泛型编程的起点

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1.泛型编程

泛型编程是一种编程范式，它允许在编写代码时使用一种通用的数据类型或算法，以便在不同的数据类型上进行操作，而不需要为每种数据类型编写专门的代码。泛型编程的目标是提高代码的重用性和可扩展性。

简单来说，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。

在C++中，使用函数模板、类模板和STL（标准模板库）等机制来实现泛型编程。其他编程语言如Java和C#也提供了类似的泛型编程机制。通过使用泛型编程，开发人员可以更高效地编写通用的、可重用的代码，并提高程序的效率和可维护性。

例如下面的代码：

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;
}

上述代码都是实现交换两个变量的内容，只是因为变量的类型不同所以需要不同的函数，这样代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数，这时我们就可以利用C++的函数模板来实现一个不同类型通用的交换函数；

2.函数模板

2.1概念

✨函数模板是一种在编写代码时可以重复使用的代码片段，可以用于定义通用的函数结构。函数模板是一种泛型编程的工具，允许我们在不同的数据类型上实现相同的操作逻辑。

例如：
在这里插入图片描述

我们需要不同材料的铸件，只需要在一个模具里倒入不同的材料即可，模板就类似于这个模具，与类型无关，在使用时被参数化，并根据实参类型产生函数的特定类型版本。

2.2格式

函数模板的语法如下所示：

//单个模板参数
template <typename T>
返回类型 函数名(参数列表)
{
    // 函数体
}


//多个模板参数
template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回类型 函数名(参数列表)
{
    // 函数体
}

其中， typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(但不能使用struct代替class)，typename T表示模板参数列表，T可以是任意类型；返回类型可以是任意类型，参数列表可以是任意参数。

我们可以看到下面的代码：

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;
}

上述函数重载的交换函数就可以利用函数模板实现通用的交换函数：

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

2.3函数模板原理

✨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。

✨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。
如下图所示：
在这里插入图片描述

✨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，减少了人力的耗费。

2.4 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。
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;
	Add(a1, a2);	//根据a1，a2推演模板参数为int类型，生成该类型函数
	Add(d1, d2);	//根据d1，d2推演模板参数为double类型，生成该类型函数
}

这里有下面这种情况：

Add(a1, d1);	//两个参数类型不同，编译器无法根据实参推演模板参数类型

在这里插入图片描述

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；

此时有两种处理方式：

用户自己来强制转化：

Add(a1, (int)d1);

将d1强制类型转换为int类型；

使用显式实例化

✨显式实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型：

int main(void)
{
 int a = 10;
 double b = 20.0;
 
 // 显式实例化
 Add<int>(a, b);
 return 0;
}

这样不管后面的形参时什么类型，编译器都会实例化为int类型的Add函数；

2.5 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，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数；

例如：

// 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。

例如：

// 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
}

✨ 3.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概念

类模板是一种通用的类定义，可以实例化为多个具体的类。类模板中可以包含通用的成员变量、成员函数和成员类型。通过类模板，可以定义出与类型无关的通用类，使得代码可以复用，同时也能满足不同类型的需求。

3.2格式

类模板的定义一般使用关键字template，后跟模板参数列表。模板参数可以是类型参数、非类型参数或模板参数。通过使用模板参数，类模板可以接受不同类型的参数，从而生成不同的具体类。

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};

例如顺序表，我们如果需要几个存放不同的数据类型的顺序表就可以利用类模板，从而不需要多次定义类：

// 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;	//不同数据类型
	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;
}

上述类模板中T* _pData; ，通过类模板实例化编译器就可以生成存放不同类型数据的顺序表；此外我们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>，例如上述的析构函数；

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(类似于函数的显示实例化)；
✨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;

4.结语

✨使用C++模板，可以定义函数模板和类模板。函数模板是一种通用的函数定义，可以用于处理多种类型的输入参数。例如，可以编写一个通用的排序函数模板，可以用于排序整数、浮点数、字符等类型的数据。

✨类模板是一种通用的类定义，它可以用于创建具有相似结构和行为的多种类对象。例如，可以编写一个通用的容器类模板，可以用于存储不同类型的数据。

✨C++中的模板是一种强大的机制，可以实现泛型编程，提高代码的可重用性和灵活性。它是C++中重要且常用的特性之一。
以上就是C++模板初级的所有内容啦~ 完结撒花 ~🥳🎉🎉