C++模板初阶知识库

C++ 模板初阶知识库

目录

1. 泛型编程
2. 函数模板
3. 类模板

1. 泛型编程

1.1 问题引入

在使用函数重载实现通用交换函数时，存在以下问题：

传统重载方式的问题：

voidSwap(int&left,int&right){inttemp=left;left=right;right=temp;}voidSwap(double&left,double&right){doubletemp=left;left=right;right=temp;}voidSwap(char&left,char&right){chartemp=left;left=right;right=temp;}

存在的问题：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低
2. 每有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
3. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

1.2 泛型编程概念

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：模板是泛型编程的基础。它就像一个模具，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)。

2. 函数模板

2.1 函数模板概念

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。

2.2 函数模板格式

template<typenameT1,typenameT2,...,typenameTn>返回值类型 函数名(参数列表){}

示例：

template<typenameT>voidSwap(T&left,T&right){T temp=left;left=right;right=temp;}

注意事项：

• 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）

2.3 函数模板的原理

核心思想：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。

工作机制：

• 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
• 例如：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

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<classT>TAdd(constT&left,constT&right){returnleft+right;}intmain(){inta1=10,a2=20;doubled1=10.0,d2=20.0;Add(a1,a2);// T 被推演为 intAdd(d1,d2);// T 被推演为 double// 错误示例：Add(a1, d1);// 该语句不能通过编译，因为编译器无法确定T该是int还是double// 注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作// 解决方式1：用户自己强制转化Add(a1,(int)d1);return0;}

显式实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

intmain(void){inta=10;doubleb=20.0;// 显式实例化Add<int>(a,b);return0;}

重要提示：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

原则1：非模板函数与函数模板共存

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intAdd(intleft,intright){returnleft+right;}// 通用加法函数template<classT>TAdd(T left,T right){returnleft+right;}voidTest(){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}

原则2：优先匹配原则

对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调用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intAdd(intleft,intright){returnleft+right;}// 通用加法函数template<classT1,classT2>T1Add(T1 left,T2 right){returnleft+right;}voidTest(){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}

原则3：自动类型转换

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 类模板的定义格式

template<classT1,classT2,...,classTn>class类模板名{// 类内成员定义};

示例：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<classT>classVector{public:Vector(size_t capacity=10):_pData(newT[capacity]),_size(0),_capacity(capacity){}// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义~Vector();voidPushBack(constT&data);voidPopBack();// ...size_tSize(){return_size;}T&operator[](size_t pos){assert(pos<_size);return_pData[pos];}private:T*_pData;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<classT>Vector<T>::~Vector(){if(_pData)delete[]_pData;_size=_capacity=0;}

3.2 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。

关键点：

• 类模板名字不是真正的类
• 实例化的结果才是真正的类

// Vector 是类名，Vector<int> 才是类型Vector<int>s1;Vector<double>s2;

重点总结

1. 泛型编程

• 目的：编写与类型无关的通用代码
• 手段：使用模板
• 优势：提高代码复用率，提升可维护性

2. 函数模板

• 格式：template<typename T>或template<class T>
• 实例化方式：
  • 隐式实例化：编译器自动推演
  • 显式实例化：手动指定类型
• 匹配原则：非模板函数优先，模板函数产生更好匹配时选择模板

3. 类模板

• 格式：template<class T> class ClassName {}
• 实例化：需要在类名后加<类型>，如Vector<int>
• 类外定义成员函数时需要加模板参数列表

4. 重要注意事项

• 模板参数关键字：typename或class（不能用struct）
• 模板函数不支持自动类型转换
• 类模板不是真正的类，实例化后的结果才是真正的类
• 类模板成员函数在类外定义时需要带模板参数列表