17. C++模板(template)1(泛型编程，函数模板，类模板)

⭐本篇重点：泛型编程，函数模板，类模板

⭐本篇代码：c++学习/07.函数模板 · 橘子真甜/c++-learning-of-yzc - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

一. 泛型编程

二. 函数模板

2.1 函数模板的格式

2.2 函数模板的简单使用

2.3 函数模板的原理

2.4 函数模板的实例化

2.5 模板参数的匹配原则

三. 类模板

3.1 类模板的格式

3.2 类模板的简单使用

3.3 类模板的实例化

一. 泛型编程

如何实现一个交换函数，这个函数可以交换任意两个相同类型的变量？我们可以使用函数重载来完成这个功能。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;void swap(int& a, int& b)
{int t = a;a = b;b = t;
}void swap(double& a, double& b)
{double t = a;a = b;b = t;
}void swap(char& a, char& b)
{char t = a;a = b;b = t;
}int main()
{int a = 1, b = 2;double c = 3.14, d = 1.44;char c1 = 'a', c2 = 'b';printf("交换前\na:%d b:%d\nc:%f d:%f\nc1:%c c2:%c\n", a, b, c, d, c1, c2);swap(a, b);swap(c, d);swap(c1, c2);printf("\n\n交换后\na:%d b:%d\nc:%f d:%f\nc1:%c c2:%c\n", a, b, c, d, c1, c2);return 0;
}

运行结果如下：

函数重载虽然可以完成这个功能，但是有两个缺点：

1 如果有一个重载的函数出错，可能导致全部函数出问题

2 代码的复用性较低，每增加一个新的类型，都要新增一个重载函数

其实，在C++中也存在一种模具，根据填充的材料，获取不同的铸件。就是泛型编程

泛型编程：编写与类型无关的代码，而模板是泛型编程的基础

二. 函数模板

2.1 函数模板的格式

template<typename T1, typename T2, ... typename T3>
返回值类型 函数名(参数列表)
{函数体}

注意：typename是用来定义模板参数的关键字，可以使用class替代（不可使用struct替代）

2.2 函数模板的简单使用

将swap修改为函数模板后的代码如下：

//使用函数模板
template<class T>
void myswap(T& a, T& b)
{T t = a;a = b;b = t;
}

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;//使用函数模板
template<class T>
void myswap(T& a, T& b)
{T t = a;a = b;b = t;
}int main()
{int a = 1, b = 2;double c = 3.14, d = 1.44;char c1 = 'a', c2 = 'b';printf("交换前\na:%d b:%d\nc:%f d:%f\nc1:%c c2:%c\n", a, b, c, d, c1, c2);myswap(a, b);myswap(c, d);myswap(c1, c2);printf("\n\n交换后\na:%d b:%d\nc:%f d:%f\nc1:%c c2:%c\n", a, b, c, d, c1, c2);return 0;
}

测试结果如下：

2.3 函数模板的原理

函数模板在编译器编译阶段，编译器根据传入的参数去推导生成对应参数类型的函数用来调用。比如我们传入int型参数，编译器通过推演，将T确定为int型，然后生成一份专门为int型调用的代码。

下图可以帮助我们理解函数模板

2.4 函数模板的实例化

用不同的参数去使用函数模板的时候，称为函数模板的实例化。函数模板的实例化有显示实例化和隐式实例化。

隐式实例化：让编译器根据实参去自动推演参数类型

显示实例化：在调用函数时候，在函数名后面加上<>，在<>中指定参数的类型

上面的交换函数swao就是隐士实例化的例子

显示实例化：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;//使用函数模板
template<class T>
T add(const T& a, const T& b)
{return a + b;
}int main()
{int a = 1, b = 2;double c = 3.14, d = 1.44;cout << "a + b = " << add<int>(a, b) << endl;cout << "c + d = " << add<double>(c, d) << endl;int ret = add<int>(a, c); //如果参数类型和指定类型不一样，编译器会转化cout << "ret:" << ret << endl;return 0;
}

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。

2.5 模板参数的匹配原则

一个非模板函数可以和一个同名模板函数同时存在，并且这个模板函数可以被实例化为这个非模板函数

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;//非模板函数
int add(const int& a, const int& b)
{return a + b;
}//使用函数模板
template<class T>
T add(const T& a, const T& b)
{return a + b;
}int main()
{int a = 1, b = 2;double c = 3.14, d = 1.44;int ret1 = add(a, b);		//调用非模板函数int ret2 = add<int>(a, b);	//调用显示实例化的add函数double ret3 = add(c, d);	//调用double类型的add函数cout << ret1 << endl << ret2 << endl << ret3;return 0;
}

运行结果如下：

对于非模板函数和同名模板函数，在调用条件相同的情况下，编译器会优先去调用非模板函数。如果模板函数可以产生一个更匹配的函数，则会调用模板函数

模板函数不允许自动类型转化，普通函数支持自动类型转化

三. 类模板

与函数模板一样，我们也可以使用类模板。

3.1 类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{// 类内成员定义
};

3.2 类模板的简单使用

这里使用一个模板数组（支持传入的类型）来举例：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;template<class T>
class arr
{
public:arr():_a(nullptr), _size(0), _capacity(0){};~arr(){//销毁开辟的空间delete[] _a;_size = 0;_capacity = 0;}//插入函数void PushBack(const T& x){if (_size == _capacity){size_t newcapacity = (_capacity == 0) ? 3 : _capacity * 2;T* tmp = new T[newcapacity];if (_a != nullptr){memcpy(tmp, _a, sizeof(T) * _size);delete[] _a;    //注意要销毁旧的空间，防止内存泄漏！_a = nullptr;}_a = tmp;_capacity = newcapacity;}_a[_size] = x;_size++;}void print(){for (int i = 0; i < _size; i++){cout << _a[i] << " ";}cout << endl;}
private:T* _a;size_t _size;size_t _capacity;
};int main()
{//定义一个int类型的数组arr<int> nums;for (int i = 0; i < 10; i++){nums.PushBack(i);}nums.print();//定义一个char类型的数组arr<char> str;for (int i = 0; i < 10; i++){str.PushBack('a' + i);}str.print();return 0;
}

运行结果如下：