泛型编程便是推演出不同函数的通用代码（上）

wowowo · 发表于 2022-10-28 16:15:28

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泛型编程

当我们实现一个通用的swap函数时，可能会这样写

<pre> <code class="prism language-cpp">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;
}
...
</code></pre>
虽然可以通过函数重载来实现，但也有几个缺点：

如果出现新类型，则需要根据类型重写函数的重载；如果一个重载出现错误，可能会导致其他重载出现问题。

如果我们不按照上面的方法写泛目录交易，而是写一个模板，然后根据类型推导出不同的函数，那么问题就迎刃而解了。

泛型编程就是这样一个想法：编写独立于类型的泛型代码是代码重用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

功能模板

概念：函数模板表示一系列函数，这些函数在使用时与类型无关、参数化，并根据参数的类型生成特定于类型的函数版本。

格式：模板或模板

原则：函数模板是一个蓝图，而不是函数本身。编译器根据传递的参数的类型生成一个特定的函数。

在编译器的编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入参数的类型，推导出相应类型的函数进行调用。

如上图，int类型使用函数模板时，模板根据传入实参的int类型推导出int类型的swap。

实例化：

当函数模板与不同类型的参数一起使用时泛目录交易，称为函数模板的实例化。模板实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

隐式实例化：编译器根据实际参数的类型推断模板参数的类型。就像上图中的模板，根据三类参数推导出三个函数。

但无法成功推导出如下函数。

<pre> <code class="prism language-c++">template<class T>
void Swap(T& x, T& y){
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}
int main(){
int x = 10;
char y = 'a';
Swap(x, y);
return 0;
}
</code></pre>
因为，在使用模板根据实参推导函数的时候，我们的实参类型分别是int和double，但是我们只用到了一个T，而这个T只能推导出一种类型，那么T是int还是double呢？因此，无法成功推演。

解决方案是：

自己施展 Swap((char)x, y); 或交换（x，（int）y）；使用显式实例化

显式实例化：在函数名后面指定推导的类型

<pre> <code class="prism language-c">template<class T>
void Swap(T& x, T& y){
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}
int main(){
int x = 10;
char y = 'a';
Swap<int>(x, y);
Swap<char>(x, y);
return 0;
}
</code></pre>
模板参数的匹配原则

非模板函数可以与同名函数模板共存，函数模板可以实例化为非模板函数。

<pre> <code class="prism language-cpp">// 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;
}
void Test(){
Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}
</code></pre>
对于非模板函数和同名的函数模板，如果其他条件相同，编译器在调用函数时会优先选择非模板函数，这样模板就不会被实例化。如果模板可以推导出匹配更好的函数，则选择该模板。

<pre> <code class="prism language-cpp">// 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
}
</code></pre>
模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以。

类模板

格式：

<pre> <code class="prism language-cpp">template<class T1, class T2, ...>
class 类模版名{
//类内成员定义
}
</code></pre>
为最简单的堆栈编写模板

<pre> <code class="prism language-cpp">#include <iostream>
template<class T>
class Stack{
public:
explicit Stack(size_t capacity = 4)
 :_array(nullptr)
 ,_top(0)
 ,_capacity(capacity)
{
 _array = (T*) malloc(sizeof(T) * _capacity);
 if(_array == nullptr){
 perror("malloc fail");
 exit(-1);
 }
}
~Stack(){
 delete _array;
 _top = 0;
 _capacity = 0;
}
void Push(T x){
 _array[_top++] = x;
}
private:
T* _array;
size_t _top;
size_t _capacity;
};
int main() {
Stack<int> s1;
Stack<char> s2;
Stack<double> s3;
return 0;
}
</code></pre>
类模板只能显式实例化，指定类型放在类名之后。

如果成员函数定义在类外，需要带模板参数列表

<pre> <code class="prism language-cpp">template<class T>
class Stack{
public:
explicit Stack(size_t capacity = 4)
 :_array(nullptr)
 ,_top(0)
 ,_capacity(capacity)
{
 _array = (T*) malloc(sizeof(T) * _capacity);
 if(_array == nullptr){
 perror("malloc fail");
 exit(-1);
 }
}
~Stack(){
 delete _array;
 _top = 0;
 _capacity = 0;
}
void Push(T x);
private:
T* _array;
size_t _top;
size_t _capacity;
};
//类外定义，需要带上模版参数列表
template<class T>
void Push(T x){
_array[_top++] = x;
}
</code></pre>
类模板与函数模板相同。类模板也不是真正的类，而是蓝图。用类模板实例化的结果是一个真正的类。

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