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模板是C++中非常重要的特性之一,它们使得代码更具有通用性、灵活性和性能,并且能够提高开发效率和代码质量,是我们必修的一门“武功秘籍”
一、了解什么是泛性编程
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
平时我们在编写代码的时候,都要十分在意函数或是类的参数类型,整形就只能调用整形的函数
浮点类型就只能调用浮点类型的函数,而泛型编程是编译一种通用的代码,与类型无关
下面举个例子:
平时我们怎么写一个交换函数?是不是像下面这样:
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;
}
因为数据类型有很多种,我们不知道要传的数据是什么类型,所以我们会用函数重载的方式写多个重载函数,但是缺点也很明显
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,十分的麻烦和冗余
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
所以我们想能否告诉编译器一个模子,让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢?
就像工厂里浇筑钢水炼制一样,只要有一个模具,就能添加不同材料炼制不同颜色和材质的产品
如果在C++中,也能够存在这样一个模具,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),那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好,我们只需在此乘凉。
二、模版
1.函数模版
1.1 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。
1.2 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){}
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
T temp = left;
left = right;
right = temp;
}
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)
1.3 函数模板的原理
我们此时再来看看如何解决上面Swap的问题,大家都知道,瓦特改良蒸汽机,人类开始了工业革命,解放了生产力。机器生 产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么,重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调:懒人创造世界
(懒不是傻懒,如果你想少干,就要想出懒的方法。要懒出风格,懒出境界)
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
1.4 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。
1. 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);
Add(a1, d1);
/*
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
*/
// 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
Add(a1, (int)d1);
return 0;
}
对于Add(a1,d1),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
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
Add(a1, (int)d1);
2. 显式实例化:在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
int main(void)
{
int a = 10;
double b = 20.0;
// 显式实例化
Add<int>(a, b);
return 0;
}
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
1.5 模板参数的匹配原则
1. 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
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
}
2. 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(有现成的吃现成的)
// 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
}
3. 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
总结一下模版和函数的区别:
1.模版传递的是类型,且在编译时传递,没传就是默认的
2. 函数传递的是变量或对象,在运行时传递
2.类模板
2.1 类模板的定义格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};
// 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<class T>
class Vector
{
public:
Vector(size_t capacity = 10)
: _pData(new T[capacity])
, _size(0)
, _capacity(capacity)
{}
// 使用析构函数演示:在类中声明,在类外定义。
~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: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 <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
if (_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}
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
类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表
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。
// Vector类名,Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;
3. 非类型模板参数
模板参数分类类型形参与非类型形参。
类型形参即: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
namespace bite
{
// 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。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
3.常数参数只能是整形常量
4. 模板的特化
4.1 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
// 函数模板 -- 参数匹配
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;
}
// 此处省略的date日期类的代码,理解为比较日期就行
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
函数模板的特化步骤:
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
// 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;
}
注意: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。
如:
bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}
该种实现简单明了,代码的可读性高,容易书写,因为对于一些参数类型复杂的函数模板,特化时特别给出,因此函数模板不建议特化。
4.3 类模板特化
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
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
int _d1;
char _d2;
};
void TestVector()
{
Data<int, int> d1;
Data<int, char> d2;
}
4.3.2 半特化
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:
1.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;
};
2.参数更进一步的限制 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。
//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
Data(const T1& d1, const T2& d2)
: _d1(d1)
, _d2(d2)
{
cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
}
private:
const T1& _d1;
const T2& _d2;
};
void test2()
{
Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
Data<int, double> d2; // 调用基础的模板
Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}
匹配顺序:能匹配就优先全特化,然后偏特化
5. 模板总结
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
缺点: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
总之最后,模版的本质是:
本来应该由你写的多份代码,现在不需要你重复写了,你只需要提供一个模版,编译器根据你的实例化(有一种机器半自动化帮你写代码的感觉),帮你写出来这是最精华的一句话
相信如果你能真正理解这句话,也就能真正理解模版了
感谢阅读