快捷導(dǎo)航

C++適用入門同學(xué)的模板講解

更新時(shí)間：2022年07月14日 08:58:55 作者：Yuucho

人們需要編寫多個(gè)形式和功能都相似的函數(shù)，因此有了函數(shù)模板來(lái)減少重復(fù)勞動(dòng)；人們也需要編寫多個(gè)形式和功能都相似的類，于是?C++?引人了類模板的概念，編譯器從類模板可以自動(dòng)生成多個(gè)類，避免了程序員的重復(fù)勞動(dòng)

1. 泛型編程

C++下一個(gè)針對(duì)C語(yǔ)言不足而設(shè)計(jì)的語(yǔ)法就叫作模板，模板的這種思想叫作泛型編程。

泛型編程的意思是：

我們以前C語(yǔ)言寫代碼是不是都是針對(duì)一種類型，比如我們寫個(gè)Swap，寫個(gè)排序，我們換一個(gè)類型，程序都得掛。

而泛型編程不再是針對(duì)某種類型，能夠適應(yīng)廣泛的類型。泛型編程用的一個(gè)東西就叫作模板。

博主先帶大家來(lái)舉一個(gè)簡(jiǎn)單的范例：

如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的交換函數(shù)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;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
char temp = left;
left = right;
right = temp;
}
......

即使C++有函數(shù)重載，寫一個(gè)Swap是不是也要寫很多的代碼呀！但是這些代碼都是相似的，int要寫一個(gè)，double要寫一個(gè)，char要寫一個(gè)，日期類要寫一個(gè)，自定義類型都得寫一個(gè)，全部都得寫一個(gè)。有意思沒(méi)？

ok，C++就給出了一個(gè)模板，讓編譯器根據(jù)不同的實(shí)參類型自動(dòng)推導(dǎo)生成相應(yīng)的一系列類似的代碼。

模板是將一個(gè)事物的結(jié)構(gòu)規(guī)律予以固定化、標(biāo)準(zhǔn)化的成果，它體現(xiàn)的是結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化。

模板分為函數(shù)模板和類模板：

2. 函數(shù)模板

2.1 函數(shù)模板概念

函數(shù)模板代表了一個(gè)函數(shù)家族，該函數(shù)模板與類型無(wú)關(guān)，在使用時(shí)被參數(shù)化，根據(jù)實(shí)參類型產(chǎn)生函數(shù)的特定類型版本。

2.2 函數(shù)模板格式

注意：typename是用來(lái)定義模板參數(shù)關(guān)鍵字，也可以使用class(切記：不能使用struct代替class)

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

返回值類型函數(shù)名(參數(shù)列表){}

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

然后我們可以這樣調(diào)用：

int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	double c = 2.2, d = 3.3;
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
	printf("c=%lf d=%lf\n", c, d);
	return 0;
}

愛(ài)思考的同學(xué)可能就會(huì)問(wèn)這個(gè)函數(shù)模板到底是怎么做到的呢？

大家猜一猜這兩個(gè)Swap調(diào)用的是不是同一個(gè)函數(shù)？

ok，博主告訴大家，它們調(diào)用的肯定不是同一個(gè)函數(shù)。雖然它們看起是來(lái)調(diào)用了同一個(gè)函數(shù)(這是編譯器優(yōu)化的結(jié)果)，但是它們調(diào)用的是模板自動(dòng)生成的相應(yīng)函數(shù)。

2.3 函數(shù)模板的原理

函數(shù)模板是一個(gè)藍(lán)圖，它本身并不是函數(shù)，是編譯器用使用方式產(chǎn)生特定具體類型函數(shù)的模具。

所以其實(shí)模板就是將本來(lái)應(yīng)該我們做的重復(fù)的事情交給了編譯器。

模板的實(shí)例化：

在編譯器編譯階段，對(duì)于模板函數(shù)的使用，編譯器需要根據(jù)傳入的實(shí)參類型來(lái)推演生成對(duì)應(yīng)類型的函數(shù)以供調(diào)用。比如：當(dāng)用double類型使用函數(shù)模板時(shí)，編譯器通過(guò)對(duì)實(shí)參類型的推演，將T確定為double類型，然后產(chǎn)生一份專門處理double類型的代碼，對(duì)于字符類型也是如此。

其實(shí)swap這個(gè)常用的小函數(shù)，C++的庫(kù)里面有提供。大家想一想為什么C語(yǔ)言不提供，因?yàn)镃語(yǔ)言沒(méi)辦法提供，這是C語(yǔ)言語(yǔ)法的缺陷。

2.4 函數(shù)模板的實(shí)例化

用不同類型的參數(shù)使用函數(shù)模板時(shí)，稱為函數(shù)模板的實(shí)例化。模板參數(shù)實(shí)例化分為：隱式實(shí)例化和顯式實(shí)例化。

2.4.1顯式實(shí)例化

講到這，博主問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：函數(shù)模板一定就是推演的嗎？不一定。

假設(shè)，我們寫了一個(gè)沒(méi)有參數(shù)或者沒(méi)有用模板參數(shù)的func函數(shù)，我們?cè)撛趺凑{(diào)用？

template<class T>  
T* func(int n)
{
	return new T[n];
}
int main()
{
	int* p1 = func(10);
	double* p2 = func(10);
	return 0;
}

我們這樣調(diào)用，編譯器能不能知道T的類型？是不是肯定不行呀：

這個(gè)時(shí)候函數(shù)模板就需要顯示實(shí)例化：在函數(shù)名后的<>中指定模板參數(shù)的實(shí)際類型。

模板參數(shù)很多用法和函數(shù)參數(shù)是很像的，也可以有缺省參數(shù)。只是說(shuō)模板參數(shù)傳遞的是類型，函數(shù)參數(shù)傳遞的是對(duì)象值。

2.4.2 隱式實(shí)例化

讓編譯器根據(jù)實(shí)參推演模板參數(shù)的實(shí)際類型

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);
}

那如果我Add(a1, d2);這樣調(diào)用會(huì)怎么樣？大家看：

編譯器這個(gè)時(shí)候?yàn)殡y了，你到底想讓T是int呢？還是T是double呢？

那怎么辦，這個(gè)時(shí)候是不是就無(wú)法調(diào)用了。那我就想這樣調(diào)用怎么辦呢？

ok，也有。

此時(shí)有兩種處理方式：

1. 用戶自己來(lái)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化

2. 使用顯式實(shí)例化

2.5 模板參數(shù)的匹配原則

這兩個(gè)函數(shù)能不能同時(shí)存在？

一個(gè)非模板函數(shù)可以和一個(gè)同名的函數(shù)模板同時(shí)存在，而且該函數(shù)模板還可以被實(shí)例化為這個(gè)非模板函數(shù)。

// 專門處理int的加法函數(shù)
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函數(shù)
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}

對(duì)于非模板函數(shù)和同名函數(shù)模板，如果其他條件都相同，在調(diào)動(dòng)時(shí)會(huì)優(yōu)先調(diào)用非模板函數(shù)而不會(huì)從該模板產(chǎn)生出一個(gè)實(shí)例。如果模板可以產(chǎn)生一個(gè)具有更好匹配的函數(shù)，那么將選擇模板。

也可以指定調(diào)用模板：

模板函數(shù)不允許自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換，但普通函數(shù)可以進(jìn)行自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換

所以當(dāng)一個(gè)匹配既沒(méi)有非模板函數(shù)，也沒(méi)有函數(shù)模板可以匹配到的時(shí)候，會(huì)嘗試通過(guò)自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換調(diào)用到非模板函數(shù)（前提是可以轉(zhuǎn)換為非模板函數(shù)的參數(shù)類型）

3. 類模板

我們以前C語(yǔ)言要解決類型更換的問(wèn)題用的是typedef，但是typedef不能解決全部的問(wèn)題。

假設(shè)我們用以前的方法寫一個(gè)棧：

typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 0)
	{
		_a = new STDataType[capacity];
		_capacity = capacity;
		_top = 0;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
	}
	void Push(STDataType x)
	{}
private:
	STDataType* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
int main()
{
	Stack st1; // int
	Stack st2; // double
	return 0;
}

C語(yǔ)言typedef的真正缺陷在于：如果我在一個(gè)程序里面定義了一個(gè)棧，那么不可能同時(shí)存在兩個(gè)存儲(chǔ)類型不同的棧。

C++由此提供了一個(gè)類模板。

3.1 類模板的定義格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 類模板名
{
// 類內(nèi)成員定義
};

此時(shí)我們寫一個(gè)棧的模板：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 0)
	{
		_a = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_top = 0;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
	}
	void Push(const T& x)
	{}
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

類模板和函數(shù)模板不一樣:函數(shù)模板可以自動(dòng)推導(dǎo)。類模板不能推導(dǎo)，因?yàn)槿绻x對(duì)象時(shí)構(gòu)造函數(shù)沒(méi)有傳參或者構(gòu)造函數(shù)沒(méi)有參數(shù)，那就麻煩了，所以類模板得在調(diào)用的時(shí)候指定類型。

注意：Push的傳參不能傳值，因?yàn)榇鎯?chǔ)的類型不一樣，如果是自定義類型，還可能會(huì)考慮深拷貝的問(wèn)題，代價(jià)就太大了，所以我們最好傳引用，引用實(shí)體不改變就加const。

3.2 類模板的實(shí)例化

類模板實(shí)例化與函數(shù)模板實(shí)例化不同，類模板實(shí)例化需要在類模板名字后跟<>，然后將實(shí)例化的類型放在<>中即可，類模板名字不是真正的類，而實(shí)例化的結(jié)果才是真正的類。

int main()
{
	//Stack是類名，Stack<int>才是類型
	Stack<int> st1; // int
	st1.Push(1);
	Stack<double> st2; // double
	st2.Push(2.2);
	return 0;
}

st1和st2是兩個(gè)類，類型分別是Stack<int> 、 Stack<double>。

4 模板分離編譯

4.1 模板的分離編譯

//聲明
template<class T>  
void Swap(T& left, T& right);
template<class T>
class Vector//Vector不是具體的類，是編譯器根據(jù)被實(shí)例化的類型生成具體類的模具,其實(shí)就是順序表
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10);
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
//定義
template<class T >
void Swap(T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
template<class T>
Vector<T>::Vector(size_t capacity)
	: _pData(new T[capacity])
	, _size(0)
	, _capacity(capacity)
{}

模板分離編譯和普通的函數(shù)分離編譯還是不同的，最大的不同是：雖然聲明的時(shí)候給了模板參數(shù)，但是定義的時(shí)候還要聲明一次，不然編譯器不知道T是哪來(lái)的。

但是這里還有一個(gè)問(wèn)題：模板不支持聲明和定義分別放在xxx.h和xxx.cpp中！會(huì)出現(xiàn)鏈接錯(cuò)誤！

來(lái)，我們來(lái)玩一下：

為什么模板分離編譯會(huì)鏈接不上？

ok，其實(shí)這里和模板的實(shí)例化有關(guān)系。

大家想一想編譯器把template.i處理成template.s，能干什么事情？

編譯器是不是應(yīng)該把類和函數(shù)編譯了放在符號(hào)表里面去？但是大家想一想，編譯器能不能處理？

ok，編譯器根本無(wú)從下手，其實(shí)templa.i編譯之后是空的，template.o和符號(hào)表也是空的，全都是空的。因?yàn)榫幾g器沒(méi)辦法知道模板參數(shù)T是啥！

大家再看調(diào)用的地方能不能編譯過(guò)，調(diào)用的地方?jīng)]啥毛病，能過(guò)。但是調(diào)用Swap和實(shí)例化對(duì)象調(diào)用構(gòu)造函數(shù)時(shí)會(huì)去call相應(yīng)函數(shù)的地址(正常是鏈接時(shí)拿修飾過(guò)的函數(shù)名去符號(hào)表里找這個(gè)地址)。但是符號(hào)表是空的呀，所以模板分離編譯，鏈接時(shí)找不到這些函數(shù)模板調(diào)用的地址。