C++模板template原理解析

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前言

 在學習模板之前我們首先要瞭解泛型編程。泛型編程是一種編程風格，其中算法以盡可能抽象的方式編寫，而不依賴於將在其上執行這些算法的數據形式。泛型編程隻編寫與類型無關的通用代碼，是代碼復用的一種手段。本節學習的模板是泛型編程的基礎。

模板分為：函數模板和類模板

1. 函數模板

1.1函數模板的概念

函數模板代表瞭一個函數傢族，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。

1.2函數模板的格式

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

返回值類型函數名(參數列表){}

//函數模板
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}

其中typename是用來定義模板參數的關鍵字，也可以使用class.(但是不能使用struct代替class).

1.3 函數模板的原理

函數模板是一個藍圖，其本身並不是函數，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復的事情交給瞭編譯器。

我們以Swap()交換函數來進行舉例。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;
}
int main()
{
int a = 0;
int b = 1;
double c = 2.2;
double d = 3.3;
Swap(a, b);
Swap(c, d);
return 0;
}

在這段代碼中，我們使用到瞭函數重載，但是仍然有幾個不好的地方：

  • 1、重載的函數僅僅是類型不同，代碼復用率比較低，隻要有新的類型出現時，就需要我們自己新增對應的函數。
  • 2、代碼的可維護行比較低，一個出錯可能所有的重載均出錯。

因此，介於上面可能發生的問題，C++便使用函數模板來解決這個問題。

根據上面的模板結構，Swap()函數用模板的方法來寫如下所示：

//Swap()函數
//template<typename T>
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}

我們使用模板解決瞭以上兩個問題。其中，編譯器對特定具體類型的函數會調用相對應類型的Swap函數。

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int類型使用函數模板時，編譯器通過對實參類型的推演，將T確定為int類型，然後產生一份專門處理int類型的代碼，對於其他類型也是如此

1.4 函數模板的實例化

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

1.4.1 隱式實例化

隱式實例化是讓編譯器根據實參推演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()
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 20.0, d2 = 10.0;
Add(a1, a2);
Add(d1, d2);
return 0;
}

其中Add(a1,a2)和Add(d1,d2)就是隱式實例化。編譯器會根據實參推演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()
{
int a1 = 10;
double d1 = 20.0;
Add(a1, d1);
return 0;
}

註意：上述代碼是不能通過編譯的，因為在編譯期間，當編譯器看到該實例化時，需要推演其實參類型來確定模板參數的具體類型，但是通過實參a1將T推演為int，通過實參d1將T推演為double，由於模板參數列表中隻有一個T，因此編譯器無法確定到底該將T確定為int或者是double類型，從而會報錯。（在模板中，編譯器一般不會進行類型轉換的操作）

此時可以用兩種處理方式：

  • 1、用戶自己來強制轉換
  • 2、使用顯式實例化
int main()
{
int a1 = 10;
double d1 = 20.0;
Add(a1, (int)d1);//用戶自己來強制轉換
return 0;
}

1.4.2 顯式實例化

顯式實例化：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()
{
int a1 = 10;
double d1 = 20.0;
Add<int>(a1, d1);//顯示實例化成int
Add<double>(a1, d1);//顯示實例化成double
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。

1.5 模板參數的匹配原則

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為這個非模板函數。

// 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;
}
int main()
{
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
return 0;
}

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;
}
int main()
{
//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);
//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
Add(1, 2.0);
return 0;
}

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

2. 類模板

2.1 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
};
// 動態順序表
// 註意：Vector不是具體的類，是編譯器根據被實例化的類型生成具體類的模具
template<class T>
class Vector
{
public:
Vector(size_t capacity = 10)
: _pData(new T[capacity])
, _size(0)
, _capacity(capacity)
{}
// 使用析構函數演示：在類中聲明，在類外定義。
~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;
};
// 註意：類模板中函數放在類外進行定義時，需要加模板參數列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
if (_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

2.2 類模板的實例化

類模板實例化與函數實例化不同，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，而實例化的結果才是真正的類。

// Vector類名，Vector<int>才是類型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

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