泛型编程 Link to 泛型编程

C++中引入了重载的概念, 使得可以编写多个函数名相同但参数、返回值不同的函数, 例如:

相同的函数名可以传入不同的参宿, 进而调用不同的函数

但, 即使有了重载, 相同功能的函数 还要分别对不同的类型进行编写, 未免过于繁琐

有没有一种方法, 对于相同的功能, 只需要定义一个类似 浇筑用的模具, 让编译器 按照模具根据不同的类型 自动将函数 "铸造" 出来呢？

有！这就需要提到泛型编程了.

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。C++中模板是泛型编程的基础。

模板 Link to 模板

C++中的的模板, 分为两部分:

1. 函数模板
2. 类模板

本篇文章就从函数模板开始讲起

函数模板 Link to 函数模板

函数模板代表了一种函数, 而不是某个函数。

该函数模板与类型无关, 只有在被使用的时候才会根据使用时实参的类型, 产生该种函数特定类型的版本 类似于浇筑, 铜水浇筑 得到铜制品, 铝水浇筑 得到铝制品

函数模板的结构 Link to 函数模板的结构

函数模板跟普通的函数定义没有很大的差别, 还以swap函数为例, 它的模板应该是:

即, 函数模板的格式应该是:

1
2
3

template<typename T1, typename T2, ......, typename Tn>
函数返回值 函数名(参数列表)
{}

其中 T1, T2, Tn等, 都可以随意起名, 其实就是表示 未知类型, 且一个名字只能表示一个类型

而函数的内容及参数, 都使用未知类型定义或声明就可以

而 模板只是模板, 未使用时编译器不会实例化

函数模板的原理及实例化 Link to 函数模板的原理及实例化

函数模板是为编译器提供的, 编译器会在编译阶段, 根据函数模板被使用时 实参的类型 来推断生成特定类型的函数供其调用

还以swap函数为例

这个就是函数模板大致的使用过程 及 结果

根据反汇编代码可以看到, 编译器是会对使用的函数模板进行实例化的, 并且 函数调用 调用的不是模板, 而是有模板实例化出的函数

上面的例子是让编译器对实参类型进行推断, 进而实例化生成特定类型的函数, 这种方法叫: 隐式实例化: 让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

而, 函数模板实例化函数还有另外一种方法: 显式实例化: 在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

一般当编译器无法根据实参推演模板参数的实际类型时, 就必须手动显式实例化:

对于下面这种函数模板:

模板参数只用在了返回值类型上, 而函数的参数的类型指定为 int 这样编译器是无法根据实参类型, 进行推断的:

这时候, 就必须使用显式实例化指定类型了:

显式实例化使用函数模板的格式就是:

在函数名和参数列表之间 + <类型>: 函数名<类型>(参数)

当然, 不只是无法隐式实例化才能使用显式实例化的, 任何函数模板都可以显式实例化

即使编译器可以推断出 模板参数的类型, 也同样可以使用 显式实例化

而 关于隐式实例化, 除了上面正常使用的例子之外, 还有一些需要注意的地方:

如果对只有一个模板参数的函数模板, 传入两个不同类型的参数会发生什么？

发生这种情况, 解决方法有两种: 强制类型转换 和 显式实例化, 即:

但是由于这两种方式都发生了类型的转换, 所以 对应的函数模板的参数也需要改变为 const 修饰的:

PS: 模板参数可以给缺省类型, 模板函数的参数也可以给缺省类型

模板参数的匹配原则 Link to 模板参数的匹配原则

如果存在 一个非模板函数 与 函数模板同名

1. 在使用该函数时, 如果实参类型与非模板函数匹配, 则优先调用非模板函数

   

   可以看到, 当实参类型与非模板函数匹配时, 优先调用非模板函数

   当然也可以使用 显式实例化 强制走函数模板:

   

2. 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。上面已经证实了 但是, 如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数, 那么将选择函数模板

   

   此例中, 模板参数使用了两个, 所以参数传入两个类型不报错, 且调用模板参数实例化函数

3. 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

类模板 Link to 类模板

类模板的结构 Link to 类模板的结构

1
2
3
4
5

template<class T1, class T2, ......, class Tn>
class 类模板名
{
	//类模板成员
}

而类模板中成员的定义 就与 函数模板的定义一样

类模板中, 成员函数在类外定义时:

1. 需要加上模板参数列表
2. 需要在成员函数前标明类域

类模板的实例化 Link to 类模板的实例化

与 函数模板的函数实例化不同, 类模板 类的实例化必须显式实例化, 不能推演

即:

以上面的类模板为例, 这也说明了, 类模板实例化类时, SeqList<类型> 才是类名, 而SeqList不是类名

模板 定义与声明 无法分离在两个文件中 Link to 模板 定义与声明 无法分离在两个文件中

模板 定义与声明 无法分离在两个文件中, 意思就是 模板的声明和定义必须统一放在头文件中。否则会发生链接错误

为什么？

这个原因就要从编译链接的角度分析了

关于编译链接, 可阅读博主文章: [程序员的自我修养] 理解编译到链接的过程

首先要知道, 编译链接的过程大致分为: 预处理、编译、汇编、链接

而前三个过程中, 多个源文件之间是没有联系的。

即, 假如 模板的定义和声明分离在了两个文件中, 也就是这样:

那么源文件经过预处理之后就会大致变成这样, 且文件名会变为.i 后缀:

可以非常明显的发现, main 函数所在文件里是没有关于类模板函数的定义的

并且 直到 汇编操作之后, 链接之前 , 这两个文件之间是没有任何联系的 即, mian.i 不能向 template.i 寻找内容, template.i 也不能向 mian.i 寻找内容

这就导致了

1. template.i 文件中, 没有需要类模板实例化的操作, 所以不会进行类模板实例化
2. mian.i 文件中, 有需要类模板实例化的操作SeqList<int> slt;, 但是此文件的类模板中 成员函数没有定义, 只有声明, 所一直会生成相应的类的成员函数的符号, 没有实质成员函数的地址

进而会导致, 最后的链接操作, 两文件中都没有关于函数的地址, 所以 只有函数名没有函数地址, 会导致链接错误

所以, 模板的定义与声明 最好不要分离到两个文件中, 如果非要分离在两个文件中, 那就需要:

对需要实例化的模板, 在模板定义位置显式实例化: