C語言的模板與泛型程式設計你瞭解嗎

2022-03-31 16:00:28

模板與泛型程式設計淺談

摘要(Effective C++)：

C++template的最初發展動機很直接：讓我們得以建立“型別安全”的容器如vector,list和map。然而當愈多人用上templates時，他們發現template有能力完成愈多可能的變化。容器當然很好，但泛型程式設計(generic programming)——寫出的程式碼和其所處理的物件型別彼此獨立——更好。STL演演算法如for_each，find和merge就是這一類程式設計的結果。最終人們發現，C++template機制自身是一部完整的圖靈機：它可以用來計算任何可計算的值。於是匯出了模板超程式設計(template mataprogramming)，創造出“在C++編譯器內執行並於編譯完成時停止執行”的程式。

模板與泛型程式設計簡單介紹

物件導向程式設計（OOP）和泛型程式設計都可以處理編寫程式時不知道型別的情況；二者的不同之處在於：OOP能處理型別在程式執行之前都未知的情況；而在泛型程式設計中，在編譯時就能獲知型別了

我們所常用的STL標準庫中，每一個容器都提供了單一的，泛型的定義，例如我們所常用的vector，我們可以定義很多型別的vector

vector<int> vi; // vi是裝載int型別的vector容器的範例
vector<string> vs; // vs是裝載string型別的vector容器的範例
vector<double> vd; // vd是裝載double型別的vector容器的範例

模板是泛型程式設計的基礎，一個模板就是一個建立類或者函數的藍圖或者公式

函數模板

// 簡單的比較函數模板
template<typename T>
int cmp(const T& v1,const T& v2) {
    if(v1<v2)
        return -1;
    else if(v1>v2)
        return 1;
    else
        return 0;
}

函數定義以關鍵字template開始，後跟一個模板參數列，這是一個逗號分隔的一個或多個模板引數的列表，用尖括號包圍起來

**注：**在模板定義中，模板參數列不能為空

模板參數列表示在類或函數定義中用到的型別或者值。當我們使用模板的時候，我們可以（顯式或隱式地）指定模板實參，將其繫結到模板引數上

簡單瞭解模板的範例化過程

眾所周知，當你覺得模板程式設計十分智慧的時候，一定是有東西在為你負重前行，C++提供了模板與泛型程式設計的這個能力，這便意味著有一個東西在為你動態地實現模板的功能，而這一定是比C++這個高階語言層面更為底層的東西，而我們所瞭解的知識中，比C++高階語言較為底層的東西，除了作業系統，便是編譯器了。

當我們呼叫一個函數模板的時候，編譯器（通常）用函數實參來為我們推斷模板實參。簡單來講，便是我們在呼叫函數模板的時候，編譯器通過使用實參的型別來確定繫結到模板引數T的型別

cout<<cmp(1,0)<<endl; // T為int

在上訴程式碼中，函數cmp的實參型別是int，編譯器便會推斷出模板實參為int，並將它繫結到模板引數T上

簡單來說，編譯器用推斷出的模板引數來為我們範例化一個特定版本的函數

模板編譯

當編譯器遇到一個模板定義的時候，它並不會生成程式碼。只有我們範例化出模板的一個特定的版本時，編譯器才會生成其對應的程式碼。當我們使用（而不是定義）模板時，編譯器才會生成程式碼。這個特性影響我們如何組織程式碼以及錯誤何時才可以被檢測到

通常來說，我們將類定義和函數說明放在標頭檔案中，而普通函數和類的成員函數的定義放在原始檔中

模板則不盡相同：為了生成一個範例化的版本，編譯器需要掌握函數模板或類別範本成員函數的定義

總結：與非模板程式碼不同，模板的標頭檔案通常既包括宣告也包括定義，即函數模板和類別範本成員函數的定義通常放在標頭檔案中

大多數編譯錯誤出現的時機

第一階段，編譯模板本身時，該時期所出現的錯誤大多數為語法錯誤
第二階段，編譯器遇到模板使用時
第三階段，模板範例化時，而只有在這個階段才能發現型別相關的問題

**注意事項：**保證傳遞給模板的實參支援模板所要求的操作，以及這些操作在模板中能正確的工作，是呼叫者的責任

類別範本

類別範本是用來生成類的藍圖的。與函數模板不同之處是，編譯器不能為類別範本推斷模板引數型別。 所以我們必須在模板名後的尖括號中提供額外的資訊——用來替代模板引數的模板實參列表

vector<int> vi;
deque<double> dd;
pair<string,int> key_val;

定義類別範本

template<typename T>
class T_vector {
public:
	typedef T value_type;
    // 建構函式
    T_vector() =default;
    T_vectot(std::initializer_list<T> il);
    // 容器的元素數目
    size_type size() const { return data->size(); }
    bool empty() const { return data->empty(); }
    // 新增元素
    void push_back(const T& val) { 
        data->push_back(val);
    }
    void push_back(T &&val) {
        data->push_back(std::move(val));
    }
private:
    std::shared_ptr<std::vector<T> > data;
    // 若data[i]無效，則丟擲msg
    void check(size_type i,const std::string &msg) const;
}

類似函數模板，類別範本以關鍵字template開始，後跟模板參數列。在類別範本（及其成員）的定義中，我們將模板引數當作替身，代替使用模板時使用者需要提供的型別或值

**注：**一個類別範本的每一個範例都形成一個獨立的類，而類別範本的每個範例都有其自己版本的成員函數

所以，我們可能會出現一個單一模板並不能滿足所有型別的需求，而模板特例化就出現了

類別範本成員函數的範例化

預設的情況下，一個類別範本的成員函數只有在程式用到它的時候才會範例化

// 範例化T_vector和接受initializer_list<int>的建構函式
T_vector<int> T_vi = { 0,1,2,3,4,5 };

如果一個成員函數沒有被使用，則它將不會被範例化

為什麼我們需要模板特例化？

當我們編寫單一的模板時，使其對任何可能的模板實參都是最合適的，都能範例化，但者往往都是過於理想化的情況。在某些特殊的情況下，通用的模板的定義可能對特定的型別是不合適的，通用定義的模板可能會出現編譯失敗或者做得不夠完善的情況。

故，當我們不能（或者不希望）使用模板版本的時候，可以定義類或函數模板的一個特例化版本

定義函數模板特例化

// 原先cmp函數的特殊版本，用來處理特殊的字元陣列的指標template<>int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {    return strcmp(p1,p2);}// 原先cmp函數的特殊版本，用來處理特殊的字元陣列的指標
template<>
int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {
    return strcmp(p1,p2);
}

函數過載與模板特例化的區別

當定義函數模板的特例化版本時，我們本質上接管了編譯器的工作。即，我們為原先的模板的其中一個特殊的範例提供了定義。簡而言之，特例化的本質是範例化一個模板，而非過載它，因此特例化並不影響函數匹配

注意事項：