1.模板觀念與函數(shù)模板

項(xiàng)目地址

課程內(nèi)容

  • Part1 C++模板簡(jiǎn)介(An Introduction to C++ Template)
  • Part2 泛型編程(Generic Programming)
  • Part3 容器(Containers)
  • Part4 一些進(jìn)階問(wèn)題(Some Advanced Topic)

Part1 C++模板簡(jiǎn)介

  • C++模板概觀(Overview)
  • C++函數(shù)模板(Function Template)
  • C++類(lèi)模板(Class Template)
  • C++操作符重載(Operator Overloading)

C++模板概觀(1)

  • 模板(Templates)是C++的一種特性，允許函數(shù)或類(lèi)（對(duì)象）通過(guò)泛型(generic types)的形式表現(xiàn)或運(yùn)行
  • 模板可以使得函數(shù)或類(lèi)在對(duì)應(yīng)不同的型別(types)的時(shí)候正常工作，而無(wú)需為每一個(gè)型別都寫(xiě)一份代碼
  • 一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
  • 如果要寫(xiě)一個(gè)取兩個(gè)數(shù)中較大值的函數(shù)Max，在不使用模板的情況下，我們不得不針對(duì)不同的型別（比如int,long,char）提供每一種型別的重載：

int Max(int a, int b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

long Max(long a, long b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

char Max(char a, char b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

C++模板概觀(2)

  • 一個(gè)簡(jiǎn)單的例子（續(xù)）
  • 如果使用模板，則可以省去一堆亢余代碼，從而將函數(shù)原型縮減到非常簡(jiǎn)介的表達(dá)：

template <typename T> T Max(T a, T b)
{
    return (a>b)?a:b;
}
  • C++主要有兩種類(lèi)型的模板：
  • 類(lèi)模版(Class template)：使用泛型參數(shù)的類(lèi)(classes with generic parameters)
  • 函數(shù)模板(Function template)：使用泛型參數(shù)的函數(shù)(functions with generic parameters)

C++模板概觀(3)

  • 模板實(shí)例化
  • 模板的聲明(declaration)其實(shí)并未給出一個(gè)函數(shù)或類(lèi)的完全定義(definition)，只是提供了一個(gè)函數(shù)或類(lèi)的語(yǔ)法框架(syntactical skeletion)
  • 實(shí)例化是指從模板構(gòu)建出一個(gè)真正的函數(shù)或類(lèi)的過(guò)程，比如
    template <typename T> struct Object {...};
    可以用來(lái)構(gòu)建諸如Object<int>，Object<char>，Object<int>，Object<MyClass>等等不同型別的具體事例
  • 實(shí)例化有兩種類(lèi)型：
  • 顯式實(shí)例化-在代碼中明確指定要針對(duì)哪種型別進(jìn)行實(shí)例化
  • 隱式實(shí)例化-在首次使用時(shí)根據(jù)具體情況使用一種合適的型別進(jìn)行實(shí)例化

C++函數(shù)模板(1)

  • 什么是函數(shù)模板？
  • 函數(shù)模板是參數(shù)化的一族函數(shù)(a family of function)
  • 通過(guò)函數(shù)模板，可以定義一系列函數(shù)，這些函數(shù)都基于同一套代碼，但是可以作用在不同型別的參數(shù)上

template <typename T>
inline T Max(
    const T& a,
    const T& b)
{
    return (a > b) ? a:b;
}
  • 定義函數(shù)模板
  • 定義一個(gè)函數(shù)模板，返回兩數(shù)中較大的那個(gè)，該函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)：(a,b)
  • 參數(shù)型別未定，以模板參數(shù)T表示
  • 模板參數(shù)由關(guān)鍵typename引入

C++函數(shù)模板(2)

  • 定義函數(shù)模板（續(xù)）
  • 也可以使用class替代typename來(lái)定義型別參數(shù)
    template <class T> inline T Max(const T& a, const T& b) {
    ...}
  • 從語(yǔ)法上講使用class和使用typename沒(méi)有區(qū)別
  • 但從語(yǔ)義上，class可能會(huì)導(dǎo)致誤區(qū)，即只有類(lèi)才能作為型別參數(shù)；而事實(shí)上T所表達(dá)的意思不僅僅只針對(duì)類(lèi)，任何型別都可以
  • 請(qǐng)盡量使用typename!
  • class可以取代typename，但struct卻不可以，以下寫(xiě)法語(yǔ)法上是錯(cuò)誤的：
    //this is wrong!!!
    template <struct T> inline T Max(const T& a, const T& b)
    {
    ...
    }

C++函數(shù)模板(3)

  • 模板函數(shù)的使用
  • 調(diào)用Max，用int，float，以及std::wstring作為模板參數(shù)替換T
  • 對(duì)于不同的型別，都從模板實(shí)例化出不同的函數(shù)實(shí)體
  • 但是不可以使用不同型別的參數(shù)來(lái)調(diào)用Max，因?yàn)榫幾g器在編譯時(shí)已經(jīng)知道Max函數(shù)需要傳遞的型別

int i = 7, j = 30;
_tprintf(TEXT("Max(i,j) = %d\n"), Max(i,j));

double f = -1.8, g = -0.9;
_tprintf(TEXT("Max(f,g) = %f\n"), Max(f,g));

std::wstring s1 = TEXT("mathematics"), s2 = TEXT("math");
_tprintf(TEXT("Max(s1,s2) = %s\n"), Max(s1,s2).c_str());

Max(i,f);//compile error: template parameter 'T' is ambiguous

C++函數(shù)模板(4)

  • 模板實(shí)例化
  • 用具體型別替代模板參數(shù)T的過(guò)程叫做實(shí)例化(instantiation)；從而產(chǎn)生了一個(gè)模板事例
  • 一旦使用函數(shù)模板，這種實(shí)例化過(guò)程便由編譯器自動(dòng)觸發(fā)的，不需要額外去請(qǐng)求模板實(shí)例化
  • 如果實(shí)例化一種型別，而該型別內(nèi)部并不支持函數(shù)所使用的操作，那么就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)編譯錯(cuò)誤，如下所示：
  • std::complex并沒(méi)有重載“>”，也就是說(shuō)改型別并不支持使用“>”比較大小，而Max函數(shù)使用“>”來(lái)判斷c1，c2的大小，所以無(wú)法通過(guò)Max(c1,c2)得到預(yù)期的結(jié)果
    std::complex<int> c1(1,2), c2(15,16); //編譯錯(cuò)誤！

C++函數(shù)模板(5)

  • 結(jié)論：模板被編譯了兩次
  1. 沒(méi)有實(shí)例化之前，檢查模板代碼本身是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤
  2. 實(shí)例化期間，檢查對(duì)模板代碼的調(diào)用是否合法

C++函數(shù)模板(6)

  • 參數(shù)推導(dǎo)

  • 模板參數(shù)是有傳遞給模板函數(shù)的實(shí)參決定的

  • 不允許自動(dòng)型別轉(zhuǎn)換：每個(gè)T必須嚴(yán)格匹配！
    Max(1,2) //OK：兩個(gè)實(shí)參的型別都是int
    Max(1,2.0) //ERROR：第一個(gè)參數(shù)型別是int，第二個(gè)參數(shù)型別是double

    • 一般有兩種處理這種錯(cuò)誤的方法：
      1. 用static_cast或強(qiáng)制轉(zhuǎn)換參數(shù)型別以使兩者匹配
        Max(static_cast<double>(1), 2.0)
      2. 顯式指定T的型別
        Max<double>(1,2.0)

C++函數(shù)模板(7)

  • 函數(shù)模板重載
  • 函數(shù)模板也可以像普通函數(shù)一樣被重載
  • 非模板函數(shù)可以和同名的模板函數(shù)共存
  • 編譯器通過(guò)函數(shù)模板參數(shù)推導(dǎo)來(lái)決定使用調(diào)用哪個(gè)重載

//普通函數(shù)
//1
inline int const& Max(const int const& a, const int const& b)

//2
template <typename T>
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b)

//3
template <typename T>
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b, const T const& c)

C++函數(shù)模板(8)

函數(shù)模板重載(續(xù))

  • Max(7, 42, 68)：調(diào)用接受三個(gè)參數(shù)的模板 ————3
  • Max(7.0, 42.0)：調(diào)用Max<double> （參數(shù)推導(dǎo)） ————2
  • Max('a', 'b')：調(diào)用Max<char> （參數(shù)推導(dǎo)） ————2
  • Max(7, 42)：調(diào)用非模板函數(shù)，參數(shù)型別為int ————1 其他因素都相同的情況下，重載裁決過(guò)程調(diào)用非模板函數(shù)，而不是從模板產(chǎn)生實(shí)例
  • Max<>(7, 42)：調(diào)用Max<int> （參數(shù)推導(dǎo)） ————2 允許空模板參數(shù)列表
  • Max<double>(7, 42): 調(diào)用Max<double> （無(wú)需參數(shù)推導(dǎo)） ————2
  • Max('a', 42.7)：調(diào)用非模版函數(shù)，參數(shù)型別為int ————1 對(duì)于型別不同的 參數(shù)只能調(diào)用非模版函數(shù)（char型別'a'和double型別42.7都將轉(zhuǎn)化為int型別）

C++函數(shù)模板(9)

  • 總結(jié)
  • 對(duì)于不同的實(shí)參型別，模板函數(shù)定義了一族函數(shù)
  • 當(dāng)傳遞模板實(shí)參的時(shí)候，函數(shù)模板依據(jù)實(shí)參的型別進(jìn)行實(shí)例化
  • 可以顯式指定模板的實(shí)參型別
  • 函數(shù)模板可以重載
  • 當(dāng)重載函數(shù)模板時(shí)，將改變限制在：顯式指定模板參數(shù)
  • 所有的重載版本的聲明必須位于它們被調(diào)用的位置之前
最后編輯于 ：
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