C++适用入门同学的模板讲解

1. 泛型编程

C++下一个针对C语言不足而设计的语法就叫作模板，模板的这种思想叫作泛型编程。

泛型编程的意思是：

我们以前C语言写代码是不是都是针对一种类型，比如我们写个Swap，写个排序，我们换一个类型，程序都得挂。

而泛型编程不再是针对某种类型，能够适应广泛的类型。泛型编程用的一个东西就叫作模板。

博主先带大家来举一个简单的范例：

如何实现一个通用的交换函数呢？

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++有函数重载，写一个Swap是不是也要写很多的代码呀！但是这些代码都是相似的，int要写一个，double要写一个，char要写一个，日期类要写一个，自定义类型都得写一个，全部都得写一个。有意思没？

ok，C++就给出了一个模板，让编译器根据不同的实参类型自动推导生成相应的一系列类似的代码。

模板是将一个事物的结构规律予以固定化、标准化的成果，它体现的是结构形式的标准化。

模板分为函数模板和类模板：

2. 函数模板

2.1 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。

2.2 函数模板格式

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)

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;
}

然后我们可以这样调用：

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;
}

爱思考的同学可能就会问这个函数模板到底是怎么做到的呢？

大家猜一猜这两个Swap调用的是不是同一个函数？

ok，博主告诉大家，它们调用的肯定不是同一个函数。虽然它们看起是来调用了同一个函数(这是编译器优化的结果)，但是它们调用的是模板自动生成的相应函数。

2.3 函数模板的原理

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。

模板的实例化：

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。

其实swap这个常用的小函数，C++的库里面有提供。大家想一想为什么C语言不提供，因为C语言没办法提供，这是C语言语法的缺陷。

2.4 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。

2.4.1显式实例化

讲到这，博主问大家一个问题：函数模板一定就是推演的吗？不一定。

假设，我们写了一个没有参数或者没有用模板参数的func函数，我们该怎么调用？

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

我们这样调用，编译器能不能知道T的类型？是不是肯定不行呀：

这个时候函数模板就需要显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

模板参数很多用法和函数参数是很像的，也可以有缺省参数。只是说模板参数传递的是类型，函数参数传递的是对象值。

2.4.2 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);
}

那如果我Add(a1, d2);这样调用会怎么样？大家看：

编译器这个时候为难了，你到底想让T是int呢？还是T是double呢？

那怎么办，这个时候是不是就无法调用了。那我就想这样调用怎么办呢？

ok，也有。

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

2.5 模板参数的匹配原则

这两个函数能不能同时存在？

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;
}

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。

也可以指定调用模板：

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

所以当一个匹配既没有非模板函数，也没有函数模板可以匹配到的时候，会尝试通过自动类型转换调用到非模板函数（前提是可以转换为非模板函数的参数类型）

3. 类模板

我们以前C语言要解决类型更换的问题用的是typedef，但是typedef不能解决全部的问题。

假设我们用以前的方法写一个栈：

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语言typedef的真正缺陷在于：如果我在一个程序里面定义了一个栈，那么不可能同时存在两个存储类型不同的栈。

C++由此提供了一个类模板。

3.1 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
};

此时我们写一个栈的模板：

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;
};

类模板和函数模板不一样:函数模板可以自动推导。类模板不能推导，因为如果定义对象时构造函数没有传参或者构造函数没有参数，那就麻烦了，所以类模板得在调用的时候指定类型。

注意：Push的传参不能传值，因为存储的类型不一样，如果是自定义类型，还可能会考虑深拷贝的问题，代价就太大了，所以我们最好传引用，引用实体不改变就加const。

3.2 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。

int main()
{
	//Stack是类名，Stack<int>才是类型
	Stack<int> st1; // int
	st1.Push(1);
	Stack<double> st2; // double
	st2.Push(2.2);
	return 0;
}

st1和st2是两个类，类型分别是Stack<int> 、 Stack<double>。

4 模板分离编译

4.1 模板的分离编译

//声明
template<class T>  
void Swap(T& left, T& right);
template<class T>
class Vector//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,其实就是顺序表
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10);
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
//定义
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)
{}

模板分离编译和普通的函数分离编译还是不同的，最大的不同是：虽然声明的时候给了模板参数，但是定义的时候还要声明一次，不然编译器不知道T是哪来的。

但是这里还有一个问题：模板不支持声明和定义分别放在xxx.h和xxx.cpp中！会出现链接错误！

来，我们来玩一下：

为什么模板分离编译会链接不上？

ok，其实这里和模板的实例化有关系。

大家想一想编译器把template.i处理成template.s，能干什么事情？

编译器是不是应该把类和函数编译了放在符号表里面去？但是大家想一想，编译器能不能处理？

ok，编译器根本无从下手，其实templa.i编译之后是空的，template.o和符号表也是空的，全都是空的。因为编译器没办法知道模板参数T是啥！

大家再看调用的地方能不能编译过，调用的地方没啥毛病，能过。但是调用Swap和实例化对象调用构造函数时会去call相应函数的地址(正常是链接时拿修饰过的函数名去符号表里找这个地址)。但是符号表是空的呀，所以模板分离编译，链接时找不到这些函数模板调用的地址。

4.2 解决方法

第一种方法：(推荐使用)

将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” (.h+.cpp合在一起这样命名更规范)里面或者xxx.h其实也是可以的。

这样头文件展开的时候，就是声明和定义一起在test.cpp中展开了，这样test.cpp在编译的时候直接就把模板实例化了，调用的时候也是直接call函数的地址了，不用链接的时候去找了。

第二种方法：模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

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