C++基礎(chǔ)8：模板編程/泛型編程

1. 基本概念

1.1 什么是模板匾效？

模板(Template)是允許函數(shù)或者類(lèi)通過(guò)泛型(generic types)的形式表現(xiàn)或運(yùn)行的特性。

1.2 模板有什么用坎藐？

模板可以使函數(shù)或者類(lèi)只寫(xiě)一份代碼而對(duì)應(yīng)不同的類(lèi)型价说。

1.3 模板編程/泛型編程

一種獨(dú)立于特定類(lèi)型的編碼方式

1.4 模板分類(lèi)

模板分為函數(shù)模板與類(lèi)模板兩類(lèi)棵磷。

函數(shù)模板(Function template):使用泛型參數(shù)的函數(shù)(function with generic parameters)
類(lèi)模板(Class template):使用泛型參數(shù)的類(lèi)(class with generic parameters)

2. 函數(shù)模板

模板聲明

template <模板形參表> 函數(shù)返回類(lèi)型 函數(shù)(形參表);

模板定義

template <模板形參表>
函數(shù)返回類(lèi)型 函數(shù)(形參表){
      函數(shù)體;
};

例如：

template <typename T> T Max(T a,T b){
        return a>b?a:b;
}

模板實(shí)例化

函數(shù)(實(shí)參表)

產(chǎn)生模板特定類(lèi)型的函數(shù)或者類(lèi)的過(guò)程稱(chēng)為實(shí)例化
調(diào)用函數(shù)模板與調(diào)用函數(shù)完全一致歹啼。

實(shí)例
最值函數(shù)Max(),Min()
字符串轉(zhuǎn)數(shù)值Ston()

3. 類(lèi)模板

模板聲明

template <模板形參表> class 類(lèi)名;

模板定義

template <模板形參表>
class 類(lèi)名 {
}

模板實(shí)例化

類(lèi)名<模板實(shí)參表> 對(duì)象;

模板參數(shù)表
多個(gè)模板參數(shù)之間,分割玄渗。模板參數(shù),模板參數(shù),...
模板參數(shù)
類(lèi)型形參
class 類(lèi)型形參或者typename 類(lèi)型形參

類(lèi)模板的聲明與實(shí)現(xiàn)通常都寫(xiě)在頭文件中座菠，是不能夠分開(kāi)的。

實(shí)例
復(fù)數(shù)類(lèi)Complex
三角形類(lèi)Triangle

4. 模板參數(shù)推導(dǎo)/推演(deduction)

模板參數(shù)推導(dǎo)/推演(deduction):由模板實(shí)參類(lèi)型確定模板形參的過(guò)程藤树。

實(shí)例化有兩類(lèi)：
顯示實(shí)例化：代碼中明確指定類(lèi)型的實(shí)例化
隱式初始化：根據(jù)參數(shù)類(lèi)型自動(dòng)匹配的實(shí)例化

類(lèi)模板參數(shù)允許自動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換(隱式轉(zhuǎn)換);函數(shù)模板參數(shù)不允許自動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換(隱式轉(zhuǎn)換)
在模板參數(shù)列表中浴滴，class和typename完全一樣。但是在語(yǔ)義上也榄，class表示類(lèi)巡莹，typename代表所有類(lèi)型(類(lèi)以及基本類(lèi)型)司志。
請(qǐng)盡量使用typename

函數(shù)模板實(shí)參類(lèi)型不一致問(wèn)題

template <typename T> 
inline const T& Max(const T& a, const T& b){
        return a>b?a:b;
}

模板實(shí)例化時(shí)甜紫，

Max(2,2.4)

參數(shù)推導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)模板實(shí)參類(lèi)型int與double不一致的錯(cuò)誤。
解決方法：

每個(gè)模板參數(shù)獨(dú)立類(lèi)型

template <typename T , typename U> inline const T& Max(const T& a, const U& b){
        return a>b?a:b;
}

注意：這種解決方法還有一個(gè)問(wèn)題骂远，就是返回值只能強(qiáng)制設(shè)置為T或者U囚霸，不能自動(dòng)推導(dǎo)。C++11的后置推導(dǎo)解決這個(gè)問(wèn)題激才。

template <typename T, typename U> 
inline auto Max(const T& a, const U& b)->decltype(a>b?a:b)
{
        return a>b?a:b;
}

顯示指定模板實(shí)參類(lèi)型

Max<int>(2,2.4)

或者

Max<double>(2,2.4)

實(shí)參強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換

Max(2,static_cast<int>(2.4))

或者

Max(static_cast<double>(2),2.4)

模板參數(shù)推導(dǎo)不允許類(lèi)型自動(dòng)轉(zhuǎn)換拓型，模板參數(shù)必須嚴(yán)格匹配。

函數(shù)模板實(shí)例顯示指定模板實(shí)參可以顯示指定模板實(shí)參瘸恼，也可以不指定(類(lèi)型自動(dòng)推導(dǎo))劣挫，類(lèi)模板實(shí)例化必須

5. 特化

模板特化(specialization):模板參數(shù)在某種特定類(lèi)型下的具體實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為模板的特化。模板特化有時(shí)也稱(chēng)之為模板的具體化东帅。
特化作用

對(duì)于某種特殊類(lèi)型压固，可以做特殊處理或者優(yōu)化。
避免實(shí)例化類(lèi)的時(shí)候產(chǎn)生詭異行為靠闭。

模板特化分類(lèi)

函數(shù)模板特化(Function specializations)：對(duì)函數(shù)模板的全部模板類(lèi)型指定具體類(lèi)型帐我。
類(lèi)模板特化(Class specializations)：對(duì)類(lèi)模板的全部或者部分模板類(lèi)型指定具體類(lèi)型。

5.1 函數(shù)模板特化

特點(diǎn)：函數(shù)模板愧膀，卻只有全特化拦键，不能偏特化。
步驟：與類(lèi)的全特化相同
示例：

template<typename T>
void Func(const T& n){}

// 特化
template<>
void Func(const int& n){}

5.2 類(lèi)模板特化

特點(diǎn)：類(lèi)模板特化檩淋，每個(gè)成員函數(shù)必須重新定義芬为。

類(lèi)模板特化分為兩種

全特化(Full specializations)：具體指定模板的全部模板參數(shù)的類(lèi)型。
局部特化(Partial specializations)：具體指定模板的部分模板參數(shù)的類(lèi)型蟀悦。

5.2.1 全特化

步驟：

聲明一個(gè)模板空參數(shù)列表template<>
在類(lèi)名稱(chēng)后面的<>中顯示指定類(lèi)型媚朦。

示例：

// 模板  
template<class T>
class Test{};

// 全特化
template<>
class Test<int*>{};

5.2.2 偏特化

偏特化就是部分特化，分為兩種情況

個(gè)數(shù)特化：只為部分模板參數(shù)指定具體類(lèi)型(模板參數(shù)個(gè)數(shù)變少)
范圍特化：模板參數(shù)不變熬芜，限制模板參數(shù)的匹配類(lèi)型(指針莲镣、引用、const)

步驟：

在一個(gè)模板類(lèi)參數(shù)列表不指定或者指定部分具體類(lèi)型涎拉。
在類(lèi)名稱(chēng)后面的對(duì)應(yīng)類(lèi)型中顯示指定該類(lèi)型瑞侮。

示例：

template<typename T1,typename T2>
class Test{};

將模板參數(shù)偏特化為相同類(lèi)型

template<typename T>
class Test<T,T>{};

將一個(gè)模板參數(shù)特化成具體類(lèi)型

template<typename T>
class Test<T,int>{};

把兩個(gè)類(lèi)型偏特化成指針類(lèi)型

template<typename T1,typename T2>
class Test<T1*,T2*>{};

實(shí)例：三元組模版Triple

類(lèi)模板特化的圆，相當(dāng)于函數(shù)模板的重載

全特化和偏特化的編碼區(qū)別：
全特化的模板參數(shù)列表為空template<>，偏特化的模板參數(shù)列表不為空半火。

模板原理

模板通常會(huì)被編譯兩次

實(shí)例化前越妈，檢查模板代碼是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤。
實(shí)例化中钮糖，檢查模板代碼調(diào)用是否合法梅掠。

如何查看模板實(shí)例化的結(jié)果？https://cppinsights.io/

非類(lèi)型模版參數(shù)

非類(lèi)型模板的實(shí)參只能是整型常量店归、枚舉值或者指向外部鏈接對(duì)象的指針阎抒。
不能使用浮點(diǎn)型、類(lèi)對(duì)象消痛、內(nèi)部鏈接對(duì)象的指針且叁。

技巧

函數(shù)模板參數(shù)盡量使用引用類(lèi)型const &
例如：

template <typename T> inline const T& Max(const T& a, const T& b){
        return a>b?a:b;
}

類(lèi)模板

成員函數(shù)：只有調(diào)用時(shí)才會(huì)被實(shí)例化。
靜態(tài)成員：每次類(lèi)模板實(shí)例化秩伞，都會(huì)被實(shí)例化逞带。

類(lèi)實(shí)例化成對(duì)象，類(lèi)模板實(shí)例化成類(lèi)纱新。

類(lèi)模板：不完整的類(lèi)展氓，一個(gè)或者多個(gè)成員類(lèi)型未確定。
函數(shù)模板：不完整的函數(shù)脸爱，一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)類(lèi)型未確定遇汞。