【C++】模版初阶：函数模板、类模板

一、为什么要使用模板

举一个我们常用的交换函数来说：若我们用现学的知识实现一个通用的交换函数，即完成int、double、char等不同类型的交换，我们要如何写呢？

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;
}
......

类似于上面的方法，用函数重载来写，但缺点很明显：

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
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

那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？这就要来介绍模版了。
模板分为函数模板和类模板。
模板类似于活字印刷，写一个模板，要哪种类型的就给它哪种类型。

二、什么是函数模板

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。

1、函数模板

（1）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）格式

template<typename T1, typename T2,…,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

//模版类型
//template<class T>
template<typename T> //一个模板参数
void Swap( T& left, T& right)
{T temp = left;left = right;right = temp;
}

注：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)

C++库里面有swap，包头文件 < utility >就可以直接用swap函数了。

（3）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。
所以模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器，让编译器替我们干活！

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。

（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);//a1 a2均为int类型Add(d1, d2);//d1 d2均为double类型。隐式实例化
}

仍以上段代码为例，如果我传的参数类型不同呢，即 Add(a1, d1);
这时，有三种改法：

第一种（强制类型转换）

int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;Add(a1,(int)d1); //强制类型转换将d1强转为int类型。
}

第二种（设置两个模板参数）

template<class T1, class T2>
T1 Add(const T1& left, const T2& right)
{return left + right;
}
int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;Add(a1, d1);//这时候就可以随便传参了
}

第三种（显式实例化）

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<int>(a1, d1);//指定模板类型为int类型，若类型不匹配，编译器会进行隐式类型转换。
}

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

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。

（5）模板参数的匹配原则

我们先来假设一个场景，当一个程序中存在两个同名元素，其中一个是函数（有具体参数类型），一个是函数模板（无有具体参数类型），这时，调用函数，编译器会优先执行哪一个呢？例一下代码：

#include<iostream>
using namespace std;// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return (left + right) * 10;
}// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{return left + right;
}int main()
{cout << Add(1, 2) << endl;return 0;
}

揭晓答案：

• 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。
• 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。
• 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、类模板

（1）定义格式

//同样，格式中的class也可以用typename
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

（2）实例化

类模板都是显示实例化的！！！编译器不会进行推导
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。

（3）用法

以栈为例，我们之前在栈中想要更改存放的数据类型，直接用typedef进行替换，但若在一个程序中开两个类型不同的栈就不能用。现在，有了类模板，我们就可以开不同类型的栈了。
例：

template<typename T>
class Stack
{
public:Stack(int n = 4):_array(new T[n]),_size(0),_capacity(n){}~Stack(){delete[] _array;_array = nullptr;_size = _capacity = 0;}void Push(const T& x){//……}private:T* _array; //栈中存放的数据类型size_t _capacity;size_t _size;
};int main()
{Stack<int> s1;//栈中存放的数据为int类型Stack<double> s2;//栈中存放的数据为double 类型return 0;
}

三、谢谢观看！