【C++】函数模板与类模板讲解

╰半夏微凉° 2024-04-22 22:19 98阅读 0赞

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> 本篇文章会对C++中的模板进行讲解，其中会对函数模板和类模板进行讲解。希望本篇文章会对你有所帮助。

> **文章目录**
> 
> 一、函数模板
> 
> 1、1 模板的引入
> 
> 1、2 函数模板举例讲解
> 
> 1、2、1 函数模板的概念
> 
> 1、2、2 函数模板格式
> 
> 1、2、3 函数模板实例化
> 
> 1、2、4 模板参数的匹配原则
> 
> 二、类模板
> 
> 2、1 类模板的格式
> 
> 2、2 类模板的实例化
> 
> 三、非类型模板参数
> 
> 四、模板的特化
> 
> 4、1 模板的特化的概念
> 
> 4、2 函数模板特化
> 
> 4、3 类模板特化
> 
> 4、3、1 全特化
> 
> 4、3、2 偏特化
> 
> 模板总结
> 
> --------------------
> 
> **?♂️ 作者：@Ggggggtm ?♂️**
> 
> **? 专栏：C++ ?**
> 
> **? 标题：模板讲解 ?**
> 
>  **❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️**
> 
> ![b75a5d3aedbd4ac49ba6edc188f5ea6b.png][]

## 一、函数模板 ##

### 1、1 模板的引入 ###

> 在平常写代码中，经常会遇到对两个变量的只进行交换。为了代码的整洁，阅读性高，我们将此功能封装成为函数。但是我们对不同类型的交换，我们就需要写出不同的交换函数。具体代码如下：
> 
>     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;
>     }
>     
>     。。。。。。

>  我们知道，上述函数构成重载。使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方： 
> 
> 1.  重载的函数仅仅是类型不同，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 
> 2.  代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错 
> 
>  为了很好的解决上述的问题呢，C++就引入了 模板。我们接下来看函数模板是什么。

### 1、2 函数模板举例讲解 ###

#### 1、2、1 函数模板的概念 ####

>  函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

#### 1、2、2 函数模板格式  ####

> 只有概念我们并不能很好的理解，我们看一下函数模板的格式，结合着理解一下：
> 
>     template<typename T>
>     void Swap( T& left, T& right)
>     {
>      T temp = left;
>      left = right;
>      right = temp;
>     }

> 函数模板有固定格式的，格式如下：
> 
>  **template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>**
> 
>  **返回值类型 函数名(参数列表)\{\}**
> 
> **注意：typename是**用来定义模板参数**关键字**，**也可以使用class(**切记：不能使用struct代替class)

#### 1、2、3 函数模板实例化 ####

> **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。具体如下图：
> 
> ![74c51d6863164ef598f8c5b185cf521f.png][]

> 模板参数实例化分为：**隐式实例化和显式实例化**。我们看看隐式实例化和显式实例化有什么区别。
> 
>  *  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);
>          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(void)
>         {
>          int a = 10;
>          double b = 20.0;
>          
>          // 显式实例化
>          Add<int>(a, b);
>          return 0;
>         }

> 但是隐式实例化是有坑的。我们看如下代码：
> 
>     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, d1);
>      return 0;
>     }
> 
>  上述代码不能通过编译，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：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化。

#### 1、2、4 模板参数的匹配原则 ####

> 模板参数有如下匹配原则：
> 
>  *  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。
>  *  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。
>  *  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。

## 二、类模板 ##

> 类模板与函数模板大致相同。我们这里就讲解类模板的格式和实例化。

### 2、1 类模板的格式 ###

> 类模板允许我们定义一种通用的类，并在编译时生成具体的类代码，以适应不同的类型。类模板的定义同样由关键字"template"、模板参数列表和类的定义组成。我们看一下类模板的格式：
> 
>     template<class T1, class T2, ..., class Tn>
>     class 类模板名
>     {
>         // 类内成员定义
>     };
>     
>     template <typename T>
>     class Stack {
>     private:
>         T* stackArray;
>         int top;
>         int capacity;
>     public:
>         Stack(int size) {
>             capacity = size;
>             stackArray = new T[size];
>             top = -1;
>         }
>         void push(T element) {
>             stackArray[++top] = element;
>         }
>         T pop() {
>             return stackArray[top--];
>         }
>     };

### 2、2 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。**具体如下：
> 
>     Stack<int> intStack(10); // 使用类模板，实例化为Stack<int>
>     Stack<double> doubleStack(10); // 使用类模板，实例化为Stack<double>

## 三、非类型模板参数 ##

> 模板参数分类：**类型形参与非类型形参**。 
> 
> **类型形参：**出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。 
> 
> **非类型形参：**就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。
> 
>  具体我们看如下例子：
> 
>     // 定义一个模板类型的静态数组
>      template<class T, size_t N = 10>
>      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;
>      }；
> 
> **注意：** 
> 
> 1.  **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**。**非类型模板参数只能是整数。**
> 2.  **非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果**。

## 四、模板的特化 ##

### 4、1 **模板的特化的概念** ###

>  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：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板，代码如下：
> 
>     template<class T>
>     bool Less(T left, T right)
>     {
>      return left < right;
>     }
>     int main()
>     {
>      cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
>      Date d1(2022, 7, 7);
>      Date d2(2022, 7, 8);
>      cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
>      Date* p1 = &d1;
>      Date* p2 = &d2;
>      cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
>      return 0;
>     }
> 
> 注：上述代码中的 Date 为自定义类型。此处就不再给出自定义类型 Date 的代码，需要的可以找我要。我们在这里理解意思即可。

>  可以看到，Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。 
> 
>  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。**

### 4、2 函数模板特化 ###

> 针对上述问题，我们这里引出函数模板的特化。函数模板的特化步骤如下： 
> 
> 1.  必须要先有一个基础的函数模板 
> 2.  关键字template后面接一对空的尖括号<> 
> 3.  函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型 
> 4.  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。
> 
>  我们结合4、1 中的例子，对其函数进行特化。代码如下：
> 
>     // 函数模板 -- 参数匹配
>     template<class T>
>     bool Less(T left, T right)
>     {
>      return left < right;
>     }
>     // 对Less函数模板进行特化
>     template<>
>     bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
>     {
>      return *left < *right;
>     }
>     int main()
>     {
>      cout << Less(1, 2) << endl;
>      Date d1(2022, 7, 7);
>      Date d2(2022, 7, 8);
>      cout << Less(d1, d2) << endl;
>      Date* p1 = &d1;
>      Date* p2 = &d2;
>      cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
>      return 0;
>     }

> 其实特化有固定格式，如下：
> 
>     template <typename T>
>     class TemplateClass {
>       // 通用实现
>     };
>     
>     // 对于特定类型int的完全特化
>     template <>
>     class TemplateClass<int> {
>       // int类型的特定实现
>     };
> 
> 上述的特化类型不仅仅是 int 型，可以是任意类型。但是需要注意的是，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。

### 4、3 类模板特化 ###

> 类模板的特化又分为全特化和偏特化。我们看看它们之间有什么区别。

#### 4、3、1 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。具体实例如下：
> 
>     template<class T1, class T2>
>     class Data
>     {
>     public:
>      Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
>     private:
>      T1 _d1;
>      T2 _d2;
>     };
>     
>     //全特化
>     template<>
>     class Data<int, char>
>     {
>     public:
>      Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
>     private:
>      int _d1;
>      char _d2;
>     };

#### 4、3、2 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 T1, class T2>
>     class Data
>     {
>     public:
>      Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<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 T1>
>         class Data<T1, int>
>         {
>         public:
>          Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<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。

## 模板总结 ##

> 模板是C++中强大的**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）工具**，可以用于函数和类。通过使用模板，我们可以编写出更通用、灵活的代码，以适应不同类型的需求。
> 
> 模板是一个很好的工具，但是再有优点的同时，也有缺点：
> 
> **【优点】** 
> 
> 1.  **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；**
> 2.  **增强了代码的灵活性。**
> 
> **【缺陷】** 
> 
> 1.  **模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长；**
> 2.  **出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误。**

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