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【C++】——- 模板初阶介绍

网友: 文章列表 2024-03-22 05:42:05

【C++】——- 模板初阶介绍

前言：

  • 在之前的学习中，我们已经把 C++前期所需要用到的知识都给大家介绍了一遍。接下来，我们要学习的就是关于在C++ 中模板的基本知识，今天我带给大家的内容便是关于 模板初阶的介绍。

目录

（一） 泛型编程

（二）函数模板

1 、函数模板概念

2、函数模板格式

3 、函数模板的原理

4 、函数模板的实例化

①隐式实例化

②显式实例化

5、 模板参数的匹配原则

（三）类模板

 1 、类模板的定义格式

2 、类模板的实例化

（四）总结

（一） 泛型编程

首先，我通过交换两个函数的值的代码来大家初步认识！！！

首先，我先引出一个事情，在之前我们写交换两个数的函数时。随着给出的参数的不同的类型，我们写出的函数也不相同。具体如下：

  • 例如，🌜当我们交换的是两个 整形 的变量时，我们的参数的类型为 【int】；🌛
void Swap(int& left, int& right)
{int temp = left;left = right;right = temp;
}
  • 🌜当我们需要交换的参数为 字符 时，此时我们的参数类型则为【char】；🌛
void Swap(char& left, char& right)
{char temp = left;left = right;right = temp;
}
  • 🌜当我们需要交换的参数为 浮点 时，此时我们的参数类型则为【double】；🌛
void Swap(double& left, double& right)
{double temp = left;left = right;right = temp;
}

🔥注意事项：

使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

  • 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

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？

  • 如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件 (即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

💨 因此基于上述这种情况，在C++中便引入了泛型编程的思想：

  • 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

💨 其中模板又可以分为以下两类：

（二）函数模板

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、函数模板格式

返回值类型 函数名(参数列表){}

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
  • 因此，此时无论有所少种对象需要进行交换，我们只需要写一个模板即可
template<typename 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)
  • 对比函数重载（同一作用域内函数名相同，参数列表不同的函数），函数模板只需要一个函数就实现了函数重载的部分功能（参数个数相同类型不同，函数重载需要定义多个同名参数列表不同的函数)

此时，问大家一个小问题

  •  大家可以看看调试代码：

小结：

  1. 通过以上调试，可能把对于好多说调用的不是一个的小伙伴都给“整不自信”了，之前认为是不一样的，现在一看调试，发现是一样的了。
  2. 真的是一样的吗？其实并不是一样的，我说过编译器有时也会欺骗你的眼睛，接下来我们去看看 底层的汇编结果是什么样的。

因此，此时我在问大家此处在调用的时候是调用的这个模板吗？

  • 我相信经过上述的演示，大家应该都知道了，我们调用的并不是这个模板，看到的只是用 “模具” 印刷出来的东西，

3 、函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生 产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。因此有人给出了论调：懒人创造世界。

所以模板的原理就是：

  • 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 

🔥小结：

  1.  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。
  2. 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

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 = 10.9, d2 = 20.1;Add(a1, a2);Add(d1, d2);return 0;
}

小结：

  1. 对于上述代码，我相信大家应该都知道是什么意思的哈！
  2. 那上述代码可以正常运行吗？ 答案是可以的，这就是一个简单的实现加法的函数而已

此时问题来了，还是以上代码，大家看下面这段代码是否可以正常的运行呢？

 Add(a1,d1);

此时再去编译，就会报错：

🔥 解释说明：

  • 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

那么我们可以怎么解决这个问题呢？

此时有两种处理方式：

  • 1. 用户自己来强制转化

此时，我们可以把其中一个强转为和另外一个相同的类型就可以

Add(a1, (int)d1);Add((double)a1, d1);

我们编译输出看结果：

②显式实例化

  •  2. 使用显式实例化

还有一种解决方法就是显示实例化，我们可以这样做：

int main(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);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。

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
// 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
}

此时，大家猜猜ADD会去调用哪个版本的加法函数呢？

我们从上述的调试可以发现，编译器最终去调用的是模板函数的方法。其实这很好理解，我举个例子：

  1. 假设有一天你爸妈都外出了中午不在家给你做饭，此时给你留了 100元当做中午的午餐费用，此时你是会 自己亲自动手去煮呢？还是直接点个外卖就完事了呢？反正对于我来说就是直接点个外卖。
  2. 在此也是同样的道理。

那假设此时你妈妈要求中午必须自己下厨煮来吃，不能点外卖，因为外卖不卫生，那么此时有什么方法呢？

  1. 此时我们就需要显示实例化操作
Add<int>(1, 2);

（三）类模板

  • 类模板可以指定默认模板参数(函数模板不可以)，跟函数参数的默认值一样，必须从右向左连续赋值默认类型；
  • 如果实例化对象时又传递了类型，默认类型会被覆盖掉，跟函数参数是一样的

 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，我们写了这样的一个栈


typedef double STDateType;
class stack
{
private:STDateType* _pData;size_t _size;size_t _capacity;public:};int main()
{stack str1; //intstack str2; //doublereturn 0;
}

🔥注意：

此时这个栈，能否做到一个存 int 类型的，一个存 double 类型的呢？

  1. 如果有这样的需要，那这段代码就不行了，此时我们就需要拷贝一份再去修改；
  2. 但是此时大家就会发现两份代码此时几乎是一致的；
  3. 因为为了避免造成这样的情况，我们让上述这种情况让编译器去做。

 此时，我们可以这样做：

template<class T>
class stack
{
private:STDateType* _pData;size_t _size;size_t _capacity;public:stack(size_t capacity = 10): _pData(new T[capacity]), _size(0), _capacity(capacity){}// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。~stack(){delete[] _pData;_size = _capacity = 0;}};int main()
{//必须显示实例化stack<int> str1; //intstack<double> str2; //doublereturn 0;
}

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;

（四）总结

到此，关于模板的一些介绍我们就先讲到这里！在接下来我会详细的带领大家去学习这个知识！

最后，我们总结一下本文：

  1. 在本期，主要的目的就是带领大家认识关于C++中的模板的介绍；
  2. 首先带领大家的认识的就是关于泛型编程的基本思想。模板是泛型编程的重要思想，也是C++的精髓之一，C++的STL库完全通过模板实现；
  3. 紧接着分别简单的介绍了关于函数模板的基本知识。知道了函数模板的实例化和匹配规则等；
  4. 最后就是关于类模板的基本知识介绍。

以上便是全文的基本内容了！！感谢大家的观看！！！

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