C++函數(shù)模板與重載解析超詳細(xì)講解

更新時(shí)間：2022年08月22日 11:43:13 作者：Shawn-Summer

模板是C++最重要的設(shè)計(jì)。這篇文章講的是函數(shù)模板,只是簡(jiǎn)單介紹模板的一些功能,關(guān)于模板的更多的內(nèi)容會(huì)在類模板中詳細(xì)介紹。文章還著重介紹了重載解析過(guò)程

1.快速上手

函數(shù)模板是通用的函數(shù)描述，也就是說(shuō)，它們使用泛型來(lái)定義函數(shù)。

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);
}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
c:
name:Bob
weight:250
group:2
d:
name:Alice
weight:200
group:1

模板函數(shù)也可以有原型:

template <typename T>

void Swap(T &a,T &b);

這里的typename也可以換成class。

不過(guò)模板原型實(shí)際上不常見(jiàn)。

模板函數(shù)定義：

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

模板函數(shù)隱式實(shí)例化：

Swap(a,b); 模板函數(shù)會(huì)根據(jù)實(shí)參的類型，給出函數(shù)定義。還有顯式實(shí)例化： Swap<int>(a,b); 顯式的定義typename。對(duì)于這兩種實(shí)例化，我推薦使用顯式實(shí)例化，因?yàn)殡[式實(shí)例化容易出錯(cuò)。對(duì)于這塊知識(shí)的詳細(xì)解讀，需要有對(duì)編譯器有充分的理解，在文章后面會(huì)給出。

一般我們不會(huì)用到模板函數(shù)的原型，因?yàn)槲覀円话惆涯０搴瘮?shù)的定義放在頭文件里面，再需要使用的時(shí)候，包含頭文件就行了。

不推薦的做法：模板原型放在頭文件，模板定義放在cpp文件里。

2.重載的模板

如果對(duì)函數(shù)的重載不了解，可以翻看我之前的文章：

內(nèi)聯(lián)函數(shù)、引用變量、函數(shù)重載

模板函數(shù)也可以重載,語(yǔ)法和常規(guī)函數(shù)的重載差不多;被重載的模板函數(shù)必須要特征標(biāo)不同。

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
template <typename T>
void Swap(T *a,T *b,int n);//模板原型
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);
    char e[10]="hello";
    char f[10]="bye!!";
    Swap(e,f,10);
    cout<<"e:"<<e<<endl;
    cout<<"f:"<<f<<endl;
}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
template <typename T>
void Swap(T *a,T *b,int n){
    T temp;
    for(int i=0;i<n;i++){
        temp=a[i];
        a[i]=b[i];
        b[i]=temp;
    }
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
c:
name:Bob
weight:250
group:2
d:
name:Alice
weight:200
group:1
e:bye!!
f:hello

3.模板的局限性

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
const T& foo(const T &a,const T &b){
    if(a>b)return a;
    else return b;
}
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void show(apple x);
int main(){
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    apple max=foo(c,d);
    show(max);
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

上面這段代碼是出錯(cuò)的，因?yàn)門如果是結(jié)構(gòu)體，我們無(wú)法對(duì)其做>操作。當(dāng)然解決這個(gè)問(wèn)題的方法也是有的—顯式具體化函數(shù)。

4.顯式具體化函數(shù)

顯式具體化函數(shù)的誕生是因?yàn)槟０鍖?duì)于某些類型的數(shù)據(jù)，定義得的函數(shù),例如上例中得foo(c,d)出錯(cuò)，我們就單獨(dú)對(duì)這個(gè)類型，寫(xiě)一個(gè)特殊的函數(shù)。

所以，就是一句話，原先模板不適用于某種類型的數(shù)據(jù)，我們就單獨(dú)給這種類型的數(shù)據(jù)，單獨(dú)來(lái)一個(gè)函數(shù)定義。

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b);//模板原型
template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b);//顯式具體化函數(shù)原型，這里<apple>可以省略
void show(apple x);
int main(){
    int a,b;
    a=1;
    b=2;
    Swap(a,b);
    cout<<"a:"<<a<<endl;
    cout<<"b:"<<b<<endl;
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);
}
template <typename T> 
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}
template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b){
    cout<<"explicit specialization for apple!"<<endl;
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}

a:2
b:1
explicit specialization for apple!
c:
name:Alice
weight:200
group:2
d:
name:Bob
weight:250
group:1

可以看出來(lái)，我們單獨(dú)為結(jié)構(gòu)體apple 搞了個(gè)顯式具體化函數(shù)，目的就是只交換group成員變量。

顯式具體化函數(shù)和常規(guī)模板很類似。

顯式具體化函數(shù)的原型：

template<>

void Swap<apple>(apple &a,apple &b);

這里<apple>可以省略.

顯式具體化函數(shù)的定義:

template<>
void Swap<apple>(apple &a,apple &b){
    cout<<"explicit specialization for apple!"<<endl;
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}

實(shí)際上這段代碼也意味著，顯式具體化的優(yōu)先級(jí)高于常規(guī)模板。

5.實(shí)例化和具體化

切記！函數(shù)模板本身不會(huì)生成函數(shù)定義，它只是一個(gè)生成函數(shù)定義的方案！

編譯器使用模板為特定類型生成函數(shù)定義時(shí)，得到的是模板實(shí)例。生成函數(shù)定義就是實(shí)例化。

實(shí)例化有隱式和顯式之分。

隱式實(shí)例化：

Swap(a,b);或者Swap<int>(a,b);

隱式實(shí)例化是指等你調(diào)用了這個(gè)函數(shù)的時(shí)候,它才會(huì)生成函數(shù)定義。

顯式實(shí)例化：

template void Swap<int>(int,int);

顯式實(shí)例化是指不需要等你調(diào)用這個(gè)函數(shù),使用上面那段代碼,直接能生成Swap<int>函數(shù)的定義。一般來(lái)說(shuō),我們會(huì)把模板放到一個(gè)頭文件中,然后很多源文件會(huì)include它,然后編譯的時(shí)候就會(huì)在這些源文件中生成具體化的代碼。但是如果我們采用顯式實(shí)例化,在其中一個(gè)源文件里面實(shí)例化一份代碼，然后其他cpp文件用到的時(shí)候，通過(guò)鏈接程序找到這個(gè)代碼并調(diào)用它,程序的大小就會(huì)少一些。這就是顯式實(shí)例化的好處。

下面這段代碼展示了Add<double>(a,b)相較于Add(a,b)的優(yōu)越性:

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T>
T Add(const T &a,const T &b){
    return (a+b);
}
int main(){
    int a=5;
    double b=6.1;
    cout<<Add<double>(a,b)<<endl;
}

如果把Add<double>(a,b)換成Add(a,b)會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)閍是int類型的，而b是double類型的，這樣就無(wú)法隱式實(shí)例化了。Add<double>(a,b)會(huì)實(shí)例化一個(gè)函數(shù)定義，然后int類型的a,傳參給double的引用形參的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量，從而完成函數(shù)調(diào)用?？傊?最好使用<type>而不是根據(jù)參數(shù)類型自動(dòng)生成模板的實(shí)例化.

顯式隱式實(shí)例化和顯式具體化統(tǒng)稱為具體化或者實(shí)例化

上一節(jié)中我們提到了顯式具體化，我們可以發(fā)現(xiàn)實(shí)例化和顯式具體化的相同之處在于，他們都是使用具體類型的函數(shù)定義，而不是通用描述。

顯式具體化函數(shù)是否是模板？我的回答是：顯式具體化函數(shù)是一個(gè)特殊的模板,它是專門為一種類型設(shè)計(jì)的模板。

//函數(shù)模板6.cpp
#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template<class T>
void Swap(T &a,T &b);//模板函數(shù)原型
template<>void Swap(apple &a,apple &b);//顯式具體化原型
template void Swap<char>(char&,char&);//顯式實(shí)例化
void show(apple x);
int main(){
    short a=1;
    short b=2;
    Swap(a,b);//隱式實(shí)例化
    cout<<"a:"<<a<<endl<<"b:"<<b<<endl;
    apple c={"Alice",200,1};
    apple d={"Bob",250,2};
    Swap(c,d);//顯式具體化
    cout<<"c:"<<endl;
    show(c);
    cout<<"d:"<<endl;
    show(d);
    char e='a';
    char f='b';
    Swap<char>(e,f);//調(diào)用顯式實(shí)例化函數(shù)
    cout<<"e:"<<e<<endl<<"f:"<<f<<endl;
}
template<>
void Swap(apple &a,apple &b){
    int temp;
    temp=a.group;
    a.group=b.group;
    b.group=temp;
}
void show(apple x){
    cout<<"name:"<<x.name<<endl;
    cout<<"weight:"<<x.weight<<endl;
    cout<<"group:"<<x.group<<endl;
}
template<class T>
void Swap(T &a,T &b){
    T temp;
    temp=a;
    a=b;
    b=temp;
}

a:2
b:1
c:
name:Alice
weight:200
group:2
d:
name:Bob
weight:250
group:1
e:2.01
f:1

這里問(wèn)個(gè)問(wèn)題，如果把上面代碼中的e變成 int類型會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題嗎？

會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)閷?shí)參int和函數(shù)中引用形參char&的類型不一樣，且此時(shí)不是const引用形參，也不會(huì)有臨時(shí)變量產(chǎn)生。如果你不清楚，且看引用變量的語(yǔ)法。內(nèi)聯(lián)函數(shù)、引用變量、函數(shù)重載

6.重載解析

6.1 概覽

對(duì)于常規(guī)函數(shù)，函數(shù)重載，函數(shù)模板，函數(shù)模板重載，編譯器需要有一個(gè)良好的策略，從一大堆同名函數(shù)中選擇一個(gè)最佳函數(shù)定義。這一過(guò)程是非常復(fù)雜的過(guò)程–重載解析。這就是我們這一節(jié)要闡述的內(nèi)容。

重載解析過(guò)程：

step1:創(chuàng)建候選函數(shù)列表。其中包含與被調(diào)用函數(shù)名稱相同的函數(shù)和模板函數(shù)。
step2:從候選函數(shù)列表中篩選可行函數(shù)。其中包括參數(shù)正確或者隱式轉(zhuǎn)換后參數(shù)正確的函數(shù)。
step3:確定是否存在最佳的可行函數(shù)。如果有則使用他，否則函數(shù)調(diào)用出錯(cuò)。

其中最復(fù)雜的就是step3，這些可行函數(shù)也有優(yōu)先級(jí)之分，優(yōu)先級(jí) 從高到低是：

完全匹配
提升轉(zhuǎn)化 (如，char short 轉(zhuǎn)化成int，float 轉(zhuǎn)化成 double)
標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化 (如，int 轉(zhuǎn)化成 char ，long轉(zhuǎn)化成double)
用戶定義的轉(zhuǎn)化 (如類聲明中定義的轉(zhuǎn)換)

而完全匹配中也有細(xì)小的優(yōu)先級(jí)之分。

總而言之，在step3中如果優(yōu)先級(jí)最高的可行函數(shù)是唯一的那么就調(diào)用他，否則會(huì)出現(xiàn)諸如ambiguous的錯(cuò)誤。

這一節(jié)的目的就是完全理解編譯器如何讓處理如下代碼：

#include<iostream>
using namespace std;
void may(int);//#1
float may(float,float=3);//#2存在默認(rèn)參數(shù)
void may(char &);//#3
char* may(const char*);//#4
char may(const char &);//#5
template<class T> void may(const T &);//#6
template<class T> void may(T *);//#7
int main(){
    may('B');
}
void may(int a){
    cout<<1<<endl;
}
float may(float a,float b){
    cout<<2<<endl;
    return a;
}
void may(char &a){
    cout<<3<<endl;
}
char* may(const char* a){
    cout<<4<<endl;
    return NULL;
}
char may(const char &a){
    cout<<5<<endl;
    return a;
}
template<class T> 
void may(const T & a){
    cout<<6<<endl;
}
template<class T> 
void may(T *){
    cout<<7<<endl;
}

上述代碼沒(méi)有一點(diǎn)問(wèn)題，甚至連warning都沒(méi)有，你可以自己試一下結(jié)果是什么。

'B'是const char類型的

#1~#7都是候選函數(shù)，因?yàn)楹瘮?shù)名字相同。

其中#1、#2、#3、#5、#6是可行函數(shù)，因?yàn)閏onst char 類型無(wú)法隱式轉(zhuǎn)換成指針類型，所以#4、#7不行，而其他函數(shù)通過(guò)隱式轉(zhuǎn)換后參數(shù)是正確的。

#1是提升轉(zhuǎn)換，#2是標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，#3、#5、#6是完全匹配，完全匹配中非模板函數(shù)比模板函數(shù)優(yōu)先級(jí)高，所以#3、#5優(yōu)先級(jí)高于#6，而由于const參數(shù)優(yōu)先和const引用參數(shù)匹配，所以#5的優(yōu)先級(jí)更高。

則#5>#3>#6>#1>#2,所以調(diào)用#5。

6.2 完全匹配中的三六九等

首先什么是完全匹配？

完全匹配函數(shù)包括：

不需要進(jìn)行隱式類型轉(zhuǎn)化的函數(shù)（即參數(shù)正確的函數(shù)）顯然是完全匹配函數(shù)。
需要進(jìn)行隱式類型轉(zhuǎn)換，但是這些轉(zhuǎn)換是無(wú)關(guān)緊要轉(zhuǎn)換。

完全匹配允許的無(wú)關(guān)緊要轉(zhuǎn)換:

實(shí) 參	形參
Type	Type&
Typc&	Type
Type[]	* Type
Type (argument-list)	Type ( * ) (argument-list)
Type	const Type
Type	volatile Type
Type *	const Type
Type*	volatile Type *

完全匹配中的優(yōu)先級(jí)法則

常規(guī)函數(shù)優(yōu)先級(jí)高于模板。
對(duì)于形參是指針或引用類型的函數(shù)，const修飾的實(shí)參優(yōu)先匹配const修飾的形參，非const修飾的實(shí)參優(yōu)先匹配非const修飾的形參。
較具體的模板優(yōu)先級(jí)高于較簡(jiǎn)略的模板。(例如，顯式具體化函數(shù)優(yōu)先級(jí)高于常規(guī)模板)

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void may(const apple & a){
    cout<<1<<endl;
}
void may(apple &a){
    cout<<2<<endl;
}
int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(a);
}

結(jié)果是2

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
void may(const apple & a){
    cout<<1<<endl;
}
void may(apple &a){
    cout<<2<<endl;
}
void may(apple a){
    cout<<3<<endl;
}
int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(a);
}

這個(gè)編譯器會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)檫@三個(gè)函數(shù)都是完全匹配，但是#2 和 #3的優(yōu)先級(jí)無(wú)法區(qū)別，記得嗎，完全匹配中的優(yōu)先級(jí)法則的第2條法則，只適用于形參是引用或者指針。

#include<iostream>
using namespace std;
struct apple{
    string name;
    double weight;
    int group;
};
template<typename T>
void may(T a){
    cout<<1<<endl;
}
template<typename T>
void may(T *a){
    cout<<2<<endl;
}
int main(){
    apple a={"Alice",250.00,1};
    may(&a);
}

終端輸出是2,&a的類型是 apple*，而#2明確指出形參是個(gè)指針，所以#2更具體。

關(guān)于如何找出最具體的模板的規(guī)則被稱為部分排序規(guī)則。

部分排序規(guī)則:在實(shí)例化過(guò)程中，函數(shù)優(yōu)先和轉(zhuǎn)換少的模板匹配。也可以這么說(shuō)，實(shí)參和形參越相似，模板越優(yōu)先。

舉個(gè)栗子：

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>
void may(T a[]){
    cout<<1<<endl;
}
template<typename T>
void may(T *a[]){
    cout<<2<<endl;
}
template<typename T>
void may(const T *a[]){
    cout<<3<<endl;
}
int main(){
    double a[5]={1,2,3,4,5};
    const double* b[5]={&a[0],&a[1],&a[2],&a[3],&a[4]};
    may(a);
    may(b);
}

may(a)會(huì)和#1匹配，因?yàn)閍的類型是double數(shù)組，double數(shù)組無(wú)法轉(zhuǎn)換成指針數(shù)組，所以#2,#3不是可行函數(shù)。而對(duì)于may(b)，他會(huì)和#3匹配。b的類型是cont指針數(shù)組，首先#1和#2和#3都是可行函數(shù)，而且都是完全匹配函數(shù)，因?yàn)?1 會(huì)實(shí)例化成may<const double*>(b)，#2 他實(shí)例化成may<const double>(b)，#3會(huì)實(shí)例化為may<double>(b)所以我們看看那個(gè)模板更具體？#3模板直接指出了形參是一個(gè)const指針數(shù)組，所以他最具體，#3優(yōu)先級(jí)最高；其次是#2因?yàn)樗男螀⒅赋隽耸侵羔様?shù)組；#1是最不具體的，#3>#2>#1.

6.3 總結(jié)

可行函數(shù)中優(yōu)先級(jí)從高到低排列
完全匹配	常規(guī)函數(shù)	形參若是指針或引用，注意const和非const
	模板	較具體的模板優(yōu)先級(jí)更高
提升轉(zhuǎn)換
標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換
用戶定義轉(zhuǎn)換

Swap<>(a,b)這種代碼，類似于顯式實(shí)例化，但是<>中沒(méi)有指出typename，所以這段代碼是要求優(yōu)先選擇模板函數(shù)。

對(duì)于多參數(shù)的函數(shù)，優(yōu)先級(jí)會(huì)非常復(fù)雜，就不談了。

7.模板的發(fā)展

關(guān)鍵字decltype 和 auto

#include<iostream>using namespace std;template<typename T1,typename T2>auto Add(T1 a, T2 b){ decltype(a+b) c; c=a+b; return c;}int main(){ int a=2; double b=2.123; cout<<Add(a,b);}#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T1,typename T2>
auto Add(T1 a, T2 b){
    decltype(a+b) c;
    c=a+b;
    return c;
}
int main(){
    int a=2;
    double b=2.123;
    cout<<Add(a,b);
}

關(guān)鍵字decltype 和 auto ，在模板中無(wú)法確定數(shù)據(jù)類型時(shí)，發(fā)揮了巨大的作用。

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