文章目录
- 前言
- 一、泛型编程
- 二、模板
- 1.函数模板
- 1.函数模板概念
- 2.函数模板格式
- 3.函数模板原理
- 4.函数模板的实例化
- 1.隐式实例化
- 2.显示实例化
- 5.模板参数的匹配原则
- 2.类模板
- 1.类模板的定义格式
- 2.类模板的实例化
- 3.类模板和模板类的区别
- 总结
前言
本文介绍了C++模板的基础概念,简单介绍了泛型编程,模板,以及模板中的函数模板与类模板等相关概念。
一、泛型编程
如何实现一个通用的交换函数(任何类型的参数都可以使用)呢?
代码如下:
void Swap(int& x, int& y)
{
int temp = x;
x = y;
y = temp;
}
void Swap(double& x, double& y)
{
double temp = x;
x = y;
y = temp;
}
//……
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
double c = 10.1;
double d = 20.1;
Swap(a, b);
Swap(c, d);
cout << a << "-" << b << endl;
cout << c << "-" << d << endl;
return 0;
}
运行结果:
如上代码中使用函数重载,虽然可以实现通用的交换函数,但是有一下几个不好的地方:
- 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; - 代码的可维护性比较低,一个出错可能所有的重载均出错。
那么,我们能否告诉编译器一个模子,让编译器自动根据不同的类型利用该模子来生成代码呢?
在C++中,存在着这样一个模具,通过给这个模具中填充不同材料(类型),来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码)。
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。本文介绍的模板是泛型编程的基础。
二、模板
1.函数模板
1.函数模板概念
函数模板表示一个函数家族,与函数的参数类型无关,在使用时被参数化,根据实参类型实例化出特定的类型版本
2.函数模板格式
template <typename T1, typename T2, ……, typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}
其中typename
是用来定义模板参数的关键字,也可以使用class
(注意:不能使用struct)。
示例:
template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
T temp = x;
x = y;
y = temp;
}
运行结果:
那么这两次数据的交换使用的是同一个函数吗?或者说是用这个模板来进行这两次数据交换的吗?
我们观察一下这个代码的反汇编:
可以看出这两次数据交换调用的是不同的函数(即,编译器根据实参类型通过函数模板实例化出的两个不同的函数)
3.函数模板原理
函数模板是一个蓝图,它本身不并是函数。它是提供给编译器,让编译器用特定方式产生特定具体类型函数的模具。因此模板的使用,就是将本来应该由我们重复做的事情交给编译器去做(实例化特定的函数)。
在编译器编译阶段,对于模板函数的使用:编译器根据传入的实参类型,推演出要生成的对应类型的函数,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int类型也是如此。
4.函数模板的实例化
不同类型的参数使用函数模板生成具体对应的函数时,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。
1.隐式实例化
让编译器根据实参类型自动推演模板参数的实际类型。
template<typename T>
void ADD(const T& x,const T& y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
double c = 10.1;
double d = 20.1;
ADD(a, b);
ADD(c, d);
cout << a << "-" << b << endl;
cout << c << "-" << d << endl;
//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
//注意:在模板中,编译器一般不会进行类型转换操作,因为一旦转化出问题,编译器就需要背黑锅
//ADD(a, d);
// 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
//强制转换:
ADD((double)a, d);
//或者: ADD(a,(int) d);
return 0;
}
2.显示实例化
在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。
如果参数类型不匹配,编译器会进行隐式类型转换,如果无法转换,则编译器会报错。
template<typename T>
void ADD(const T& x,const T& y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
double c = 10.1;
double d = 20.1;
ADD<int>(a, d);
//或者: ADD<double>(a,d);
return 0;
}
5.模板参数的匹配原则
- 一个非模板函数可以与一个同名模板函数同时存在,而且该模板函数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
}
- 模板函数不允许编译器进行自动类型转换,非模板函数允许。
- 在没有显示实例化的情况下,编译器会优先匹配非模板函数。但是,如果模板函数实例化出一个更好匹配的函数,就会匹配模板函数实例出的函数。
// 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 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.类模板
和通用函数的问题相似,通用类也有这几个问题:
- 这几个类仅仅是类型不同,代码复用率比较低,只要有新类型出现时,就需要用户自己修改类的类型;
- 代码的可维护性比较低,一个出错可能所有的类均出错。
为了解决这些问题,我们引入了类模板。
1.类模板的定义格式
template <typename T1,typename T2, ... ,typename Tn>
class 类模板名
{
//类内成员的定义
};
template <class T>
//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
class Vector
{
public:
Vector(size_t capacity = 4)
:_capacity(capacity),
_size(0),
_pData(new T[capacity])
{}
~Vector();//在类中声明
void PushBack(const T& data);//用模板,则尽量用引用,提高效率。
void Pop();
size_t Size() { return _size; }
//...
private:
size_t _capacity;
size_t _size;
T* _pData;
};
//注意:类模板中函数放在类外定义,需要加模板参数列表,要用类加作用域限定符:: 指明类域
template <class T>
Vector<T> :: ~Vector()
{
if (_pData)
delete[] _pData;
_capacity = _size = 0;
}
2.类模板的实例化
类模板的实例化与函数模板的实例化不同:
- 函数模板可以推演实例化(用实参的类型推演形参的类型,进而实例化出具体类型的函数);
- 类模板没有推演的时机,所以只能显示实例化,即,在类模板名后跟上<>,然后将实例化的类型放入<>即可。
注意:
- 类模板不是真的类,实例化出类才是真的类。
- 类的模板参数不同,就是不同的类型。
// Vector类名,Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;
3.类模板和模板类的区别
- 类模板:主要描述的是模板,这个模板是类的模板。可以理解为一个通用的类,这个类中的成员变量,成员函数的形参以及成员函数的返回值的类型不用具体的指定,这些类型都是虚拟的。用类模板进行对象定义的时候,才会根据对象的实际参数类型来替代类模板中的虚拟类型。通俗一点来说,可以看作是做蛋糕的模具。
- 模板类: 主要描述的是类,这个类使用类模板进行声明。将类模板中的虚拟类型参数指定成一个具体的数据类型参数。通俗一点说,可以看作用模具做出来的蛋糕。
总结
以上就是今天要讲的内容,本文介绍了C++模板的基础概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识,如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分,欢迎大家在评论区指出,也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后,如果本篇文章对你有所启发的话,希望可以多多支持作者,谢谢大家!
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