C++模板template原理解析

2022-07-27 22:02:14

前言

在學習模板之前我們首先要了解泛型程式設計。泛型程式設計是一種程式設計風格，其中演演算法以儘可能抽象的方式編寫，而不依賴於將在其上執行這些演演算法的資料形式。泛型程式設計只編寫與型別無關的通用程式碼，是程式碼複用的一種手段。本節學習的模板是泛型程式設計的基礎。

模板分為：函數模板和類別範本

1. 函數模板

1.1函數模板的概念

函數模板代表了一個函數家族，該函數模板與型別無關，在使用時被引數化，根據實參型別產生函數的特定型別版本。

1.2函數模板的格式

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

返回值型別函數名(參數列){}

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

其中typename是用來定義模板引數的關鍵字，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型別函數的模具，所以其實模板就是將本來應該我們做的重複的事情交給了編譯器。

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;
}

在這段程式碼中，我們使用到了函數過載，但是仍然有幾個不好的地方：

1、過載的函數僅僅是型別不同，程式碼複用率比較低，只要有新的型別出現時，就需要我們自己新增對應的函數。
2、程式碼的可維護行比較低，一個出錯可能所有的過載均出錯。

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;
}

我們使用模板解決了以上兩個問題。其中，編譯器對特定具體型別的函數會呼叫相對應型別的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型別來推演生成對應型別的函數以供呼叫。

比如：當用int型別使用函數模板時，編譯器通過對實參型別的推演，將T確定為int型別，然後產生一份專門處理int型別的程式碼，對於其他型別也是如此

1.4 函數模板的範例化

用不同型別的引數使用函數模板時，成為函數模板的範例化。模板引數範例化分為：隱式範例化和顯式範例化。

1.4.1 隱式範例化

隱式範例化是讓編譯器根據實參推演模板引數的實際型別。

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)就是隱式範例化。編譯器會根據實參推演模板引數的實際型別。

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;
}

注意：上述程式碼是不能通過編譯的，因為在編譯期間，當編譯器看到該範例化時，需要推演其實參型別來確定模板引數的具體型別，但是通過實參a1將T推演為int，通過實參d1將T推演為double，由於模板參數列中只有一個T，因此編譯器無法確定到底該將T確定為int或者是double型別，從而會報錯。（在模板中，編譯器一般不會進行型別轉換的操作）

此時可以用兩種處理方式：

1、使用者自己來強制轉換
2、使用顯式範例化

int main()
{
int a1 = 10;
double d1 = 20.0;
Add(a1, (int)d1);//使用者自己來強制轉換
return 0;
}

1.4.2 顯式範例化

顯式範例化：在函數名後的<>中指定模板引數的實際型別。

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);//顯示範例化成int
Add<double>(a1, d1);//顯示範例化成double
return 0;
}

如果型別不匹配，編譯器會嘗試進行隱式型別轉換，如果無法轉換成功編譯器將會報錯。

1.5 模板引數的匹配原則

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範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); // 呼叫編譯器特化的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，在調動時會優先呼叫非模板函數而不會從該模板產生出一個範例，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()
{
//與非函數模板型別完全匹配，不需要函數模板範例化
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型別轉換，但普通函數可以進行自動型別轉換

2. 類別範本

2.1 類別範本的定義格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 類別範本名
{
// 類內成員定義
};

// 動態順序表
// 注意：Vector不是具體的類，是編譯器根據被範例化的型別生成具體類的模具
template<class T>
class Vector
{
public:
Vector(size_t capacity = 10)
: _pData(new T[capacity])
, _size(0)
, _capacity(capacity)
{}
// 使用解構函式演示：在類中宣告，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;
};
// 注意：類別範本中函數放在類外進行定義時，需要加模板參數列
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
if (_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

2.2 類別範本的範例化

類別範本範例化與函數範例化不同，類別範本範例化需要在類別範本名字後跟<>，然後將範例化的型別放在<>中即可，類別範本名字不是真正的類，而範例化的結果才是真正的類。

// Vector類名，Vector<int>才是型別
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

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