哈喽大家好，我是鹿 九 丸 \color{red}{鹿九丸}鹿九丸，今天给大家带来的是C++模板。
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1. 泛型编程

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;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

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
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

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。

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

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

返回值类型 函数名(参数列表){}

template<class 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)

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。

注意：Swap(i1,i2)和Swap(d1,d2)两个地方调用的不是同一个函数，调用的是int类型推演和double类型推演之后实例化形成的函数，下面是汇编图展示：

从上面汇编中可以看到，Swap(i1,i2)和Swap(d1,d2)调用的是两个不同的函数，只是函数名相同罢了。

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。

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。

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);

	/*
	 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
	 Add(a1, d1);
	*/

	// 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
    //1.自己强制转化
	Add(a1, (int)d1);
    //2.显式实例化
    Add<int>(a1,d1);//此处有一个隐式类型转换，d从double类型的数据转换为int类型的
    Add<double>(a1,d1);
	return 0;
}

1. 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;
}

2.5 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

int Add(const int& left, const int& right)
{
	return left + right;
}
template<class T>
T Add(const T& left,const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
    int a = Add(1,3);//优先调用int Add(const int& left, const int& right);
    return 0;
}

问：我们该如何强制编译器使用我们自己定义的模板函数呢？

答：

int a = Add<int>(1,3);//显式实例化

1. 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

//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
}

1. 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。
2. 函数模板中可以存在缺省参数，规则和函数参数一样。注意：不能像下面这样进行使用：

template<class T1 = char, class T2>
T1 Add(T1& a, T2& b)
{
	cout << sizeof(T1) << sizeof(T2) << endl;
}
int main()
{
	Add<int>();
	return 0;
}

3. 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
};

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。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

注意：s1和s2不是相同类型的类，两个变量是不同类型的，也不能进行相互赋值。

注意：一般来说：

• 函数模板实例化形成的类型一般是编译器根据实参传递给形参的类型推演出来的。
• 类模板实例化形成的类型是明确指定的。

但是注意，函数模板实例化形成的类型并不是都是推演出来的，例如下面的这种情况：

template<class T>
T* f(int capacity)
{
	return new T[capacity];
}

这种情况在调用的时候就必须显式实例化：

int *pi = f<int>(10);//函数模板显式实例化指定模板参数
double* pd = f<double>(10);

注意：一个模板参数只能用于一个函数或者一个类。比如下面的这种方式就是错误的：

template<class T>
void f1(T a)
{}
void f2(T b)
{}

注意：模板参数也是可以进行缺省的。

template<class T = char>//此时调用的时候就不需要进行显式传参了
class Vetor
{}

问：模板参数和函数参数有什么区别呢？

答：模板参数在用法上和函数参数是很相似的，但两者也存在着一定的区别：

模板参数：调用的时候传的是类型。

函数参数：调用的时候传的是参数的值。

问：模板的声明和定义可以分离吗？

答：可以的。

函数模板的声明和定义分离（一个文件中）：

//函数模板的声明
template<typename T>//不可缺少
void Swap(T& a, T& b);
//函数模板的定义
template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

类模板中函数的声明和定义分离：

template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	//类模板中析构函数的声明
	~Vector();
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
//类模板中函数的定义，在类中必须要有声明，即使这个函数是构造函数、析构函数或者拷贝构造函数
template<class T>//指明模板参数
Vector<T>::~Vector()//指明域名，注意：注意域名后的<T>
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

注意：模板是不支持声明和定义放在两个不同的文件中的。会出现链接错误。

//template.h
//函数模板的声明
template<class T>
void f(T a);
//类模板函数的声明
template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	//类模板中析构函数的声明
	~Vector();
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
//template.cpp
#include"template.h"
//函数模板的定义
template<T>
void f(T a)
{}
//类模板中函数的定义
template<class T>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

那么有什么解决方法呢？

解决方法一：

将声明和定义都放在.h文件中，有的公司会将这个地方的.h文件名后缀改成.hpp。

解决方法二：

在template.cpp中针对于要使用的模板类型显式实例化。

#include"template.cpp"
//函数模板的定义
template<T>
void f(T a)
{}
template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{}
	//类模板中析构函数的声明
	~Vector();
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
//显式实例化指定
//函数实例化指定
template
void f<int>(int a);
template
void f<double>(double a);
//类显式实例化指定
template
class Vector<int>;
template
class Vector<double>;

问：为什么分别放到两个文件后就会出现链接错误？

答：

在Test.o文件中符号表中会出现一个调用的重载的函数，地址是？（因为无法知道），编译时此处不会出现问题，因为有相应的声明。

在template.i文件进行编译的时候，因为编译器不知道我们想要生成的函数模板实例化对象中的T究竟是什么类型的，所以无法进行实例化，在链接的时候Test.o中的地址无法被填充，所以就出现了链接错误。