柚子快報(bào)激活碼778899分享：【七】【C++】模版初階

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泛型編程

C++中的泛型編程是一種編程范式，它強(qiáng)調(diào)代碼的重用性和類型獨(dú)立性。通過泛型編程，你可以編寫與特定數(shù)據(jù)類型無關(guān)的代碼，使得相同的代碼可以用于多種數(shù)據(jù)類型。

利用重載實(shí)現(xiàn)泛型編程

/*利用重載實(shí)現(xiàn)泛型編程*/

#include

using namespace std;

void Swap(int& left,int& right){

int temp=left;

left=right;

right=temp;

}

void Swap(double& left,double& right){

int temp=left;

left=right;

right=temp;

}

void Swap(char& left,char& right){

int temp=left;

left=right;

right=temp;

}

//...

利用重載實(shí)現(xiàn)泛型編程的缺陷

代碼冗余：

每個(gè)重載函數(shù)需要為每種類型單獨(dú)編寫，這會導(dǎo)致大量類似的代碼。對于每個(gè)新類型，都需要添加一個(gè)新的重載版本，這使得代碼難以維護(hù)。

可擴(kuò)展性差：

如果需要支持新的類型，必須手動添加新的重載函數(shù)。這限制了代碼的可擴(kuò)展性，尤其是對于那些無法預(yù)先知道所有將要使用的類型的情況。

類型檢查不夠靈活：

重載依賴于編譯時(shí)的靜態(tài)類型檢查。這意味著對于泛型代碼，如果類型不匹配，編譯器可能無法找到合適的重載，導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。

運(yùn)行時(shí)效率：

重載函數(shù)通常會產(chǎn)生更多的運(yùn)行時(shí)代碼，因?yàn)槊糠N類型的操作都是獨(dú)立的函數(shù)。

泛型算法實(shí)現(xiàn)困難：

使用重載來實(shí)現(xiàn)真正的泛型算法非常困難。重載需要為每一種可能的類型組合提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)。

維護(hù)和調(diào)試?yán)щy：

當(dāng)有許多重載函數(shù)時(shí)，維護(hù)和調(diào)試變得更加困難。特別是當(dāng)函數(shù)有多個(gè)參數(shù)，且每個(gè)參數(shù)都可能有多種類型時(shí)，重載的組合會急劇增加。

模版

在C++中，模板是實(shí)現(xiàn)泛型編程的一種強(qiáng)大工具，允許程序員編寫與數(shù)據(jù)類型無關(guān)的代碼。模板可以分為兩種主要類型：函數(shù)模板和類模板。

函數(shù)模板

函數(shù)模板允許您編寫處理不同類型的通用函數(shù)。它們在編譯時(shí)根據(jù)提供的類型參數(shù)自動實(shí)例化。

/*函數(shù)模版*/

#include

template

T max(T x, T y) {

return (x > y) ? x : y;

}

int main() {

int a = 5, b = 10;

std::cout << "Max of a and b: " << max(a, b) << std::endl;

double c = 3.5, d = 4.5;

std::cout << "Max of c and d: " << max(c, d) << std::endl;

}

template

T max(T x, T y) {

return (x > y) ? x : y;

}

template 表示用T表示任意數(shù)據(jù)類型，后面緊接一個(gè)函數(shù)，稱為函數(shù)模版。

在函數(shù)中可以使用T表示數(shù)據(jù)類型，使用函數(shù)時(shí)，會自動識別數(shù)據(jù)類型，自動編寫對應(yīng)函數(shù)。

類模板

類模板允許您創(chuàng)建可以處理任何數(shù)據(jù)類型的泛型類。實(shí)例化時(shí)，您指定特定的數(shù)據(jù)類型。

/*類模版*/

#include

#include

#include

template

class Stack {

private:

std::vector elements;

public:

void push(T const& elem) {

elements.push_back(elem);

}

void pop() {

if (elements.empty()) {

throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");

}

elements.pop_back();

}

T top() const {

if (elements.empty()) {

throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");

}

return elements.back();

}

bool empty() const {

return elements.empty();

}

};

int main() {

Stack intStack;

intStack.push(7);

std::cout << intStack.top() << std::endl;

}

template 表示用T表示任意數(shù)據(jù)類型，后面緊接一個(gè)類，稱為類模版。

在類中可以使用T表示數(shù)據(jù)類型，使用類的時(shí)候需要再后面加上。

Typename關(guān)鍵字

在C++中，關(guān)鍵字 typename 用于泛型編程，尤其是在模板編程中。它的主要作用是指示后續(xù)的標(biāo)識符是一個(gè)類型名。這在兩個(gè)主要場景中非常重要：模板參數(shù)的聲明和模板內(nèi)部的依賴類型名。

模板參數(shù)的聲明

在定義模板時(shí)，typename 可用于聲明一個(gè)類型模板參數(shù)：

template

class MyClass {

T data;

// ...

};

在這里，typename T 表示 T 是一個(gè)類型參數(shù)，這意味著當(dāng)你實(shí)例化 MyClass 時(shí)，你可以用任何類型替換 T。

依賴類型名

在模板內(nèi)部，當(dāng)你引用一個(gè)依賴于模板參數(shù)的類型時(shí)，你需要在這個(gè)類型前使用 typename 來告訴編譯器它是一個(gè)類型。這通常發(fā)生在模板的成員函數(shù)中：

template

class MyClass {

public:

typename T::SubType method();

};

在這個(gè)例子中，T::SubType 可能是一個(gè)類型，但在模板定義的時(shí)候編譯器并不知道 T 會被什么替換，因此它無法確定 T::SubType 是一個(gè)類型還是其他東西。在這里使用 typename 告訴編譯器 T::SubType 是一個(gè)類型。

關(guān)鍵字 class 與 typename 的可互換性

在模板參數(shù)的聲明中，typename 和 class 關(guān)鍵字是可以互換的，二者意味著相同的事情：

template // 同樣有效

class MyClass {

// ...

};

但是在依賴類型名的場景下，只能使用 typename。

模版的原理

編寫模板

當(dāng)你編寫一個(gè)函數(shù)模板時(shí)，你實(shí)際上是在定義一個(gè)函數(shù)的藍(lán)圖，而不是一個(gè)具體的、可以直接調(diào)用的函數(shù)。這個(gè)藍(lán)圖告訴編譯器如何生成針對特定類型的函數(shù)實(shí)例。

template

T max(T a, T b) {

return a > b ? a : b;

}

在這個(gè)例子中，T 是一個(gè)占位符，代表任何類型。

編譯器的實(shí)例化過程

當(dāng)你調(diào)用一個(gè)模板函數(shù)時(shí)，編譯器會查看你提供的參數(shù)類型，并根據(jù)這些類型，以及函數(shù)模板的定義，生成一個(gè)具體的函數(shù)實(shí)例。這個(gè)過程稱為模板實(shí)例化。

int main() {

auto result = max(5, 10); // 調(diào)用 max(int, int)

}

在這個(gè)例子中，編譯器看到你用兩個(gè)整數(shù)調(diào)用了 max 函數(shù)，所以它生成了一個(gè)接受兩個(gè) int 類型參數(shù)的 max 函數(shù)的實(shí)例。

類型推導(dǎo)

C++11及以后的版本支持自動類型推導(dǎo)，這意味著在許多情況下，你不需要顯式指定模板參數(shù)的類型；編譯器可以從函數(shù)調(diào)用中的參數(shù)類型推導(dǎo)出來。

代碼生成

一旦模板實(shí)例化完成，編譯器就會生成與普通函數(shù)相同的機(jī)器碼。這意味著使用函數(shù)模板不會比直接使用針對特定類型編寫的函數(shù)有更多的運(yùn)行時(shí)開銷。

函數(shù)模版實(shí)例化

函數(shù)模板實(shí)例化是一個(gè)編譯時(shí)過程，其中編譯器根據(jù)模板函數(shù)被調(diào)用時(shí)提供的具體類型參數(shù)生成特定的函數(shù)實(shí)例。這個(gè)過程允許程序員編寫一次模板代碼，然后用不同的類型多次實(shí)例化，以適應(yīng)不同的使用場景。

實(shí)例化過程

當(dāng)編譯器遇到一個(gè)模板函數(shù)調(diào)用時(shí)，它會檢查提供給函數(shù)模板的實(shí)際類型參數(shù)。然后，編譯器生成一個(gè)新的函數(shù)，其中模板參數(shù)被實(shí)際調(diào)用中使用的具體類型所替換。這個(gè)生成的函數(shù)就是模板的一個(gè)實(shí)例。

隱式實(shí)例化

在C++11及更高版本中，函數(shù)模板調(diào)用時(shí)往往不需要顯式指定類型參數(shù)。編譯器能夠根據(jù)傳遞給函數(shù)的參數(shù)自動推導(dǎo)出模板參數(shù)的類型。這使得代碼更簡潔易讀。

/*函數(shù)模版隱式實(shí)例化*/

#include

using namespace std;

template

T Add(const T& left, const T& right) {

return left + right;

}

int main() {

int a1 = 10, a2 = 20;

double d1 = 10.1, d2 = 20.2;

cout << "Add(a1,a2):" << Add(a1, a2) << endl;

cout << "Add(d1,d2):" << Add(d1, d2) << endl;

}

顯式實(shí)例化

雖然編譯器通常能夠自動實(shí)例化函數(shù)模板，但在某些情況下，可能需要或想要顯式地指定模板的實(shí)例化。這可以通過提供模板參數(shù)的具體類型來完成。

/*函數(shù)模版顯示實(shí)例化*/

#include

using namespace std;

template

T Add(const T& left, const T& right) {

return left + right;

}

int main() {

int a1 = 10, a2 = 20;

double d1 = 10.1, d2 = 20.2;

cout << "Add(a1,a2):" << Add(a1, a2) << endl;

cout << "Add(d1,d2):" << Add(d1, d2) << endl;

}

函數(shù)模版參數(shù)匹配規(guī)則

1.一個(gè)非模板函數(shù)可以和一個(gè)同名的函數(shù)模板同時(shí)存在，而且該函數(shù)模板還可以被實(shí)例化為這個(gè)非模板函數(shù)。

/*函數(shù)模版顯示實(shí)例化*/

#include

using namespace std;

//通用加法函數(shù)

template

T Add(const T& left, const T& right) {

return left + right;

}

//專門處理int的加法函數(shù)

int Add(const int& left, const int& right) {

return left + right;

}

int main() {

Add(1,2); //與非模版函數(shù)匹配，編譯器不需要特化

Add(1,2); //調(diào)用編譯器特化的Add版本

}

2.對于非模板函數(shù)和同名函數(shù)模板，如果其他條件都相同，在調(diào)動時(shí)會優(yōu)先調(diào)用非模板函數(shù)而不會從該模板產(chǎn)生出一個(gè)實(shí)例。如果模板可以產(chǎn)生一個(gè)具有更好匹配的函數(shù)， 那么將選擇模板。

/*函數(shù)模版精準(zhǔn)匹配或生成匹配的函數(shù)*/

#include

using namespace std;

//通用加法函數(shù)

template

T Add(const T& left, const T& right) {

return left + right;

}

//專門處理int的加法函數(shù)

int Add(const int& left, const int& right) {

return left + right;

}

int main() {

Add(1, 2); //與非模版函數(shù)匹配，編譯器不需要特化

Add(1, 2.1); //模版函數(shù)可以生成更加匹配的版本，編譯器根據(jù)實(shí)參生成更加匹配的Add函數(shù)

}

3.模板函數(shù)不允許自動類型轉(zhuǎn)換，但普通函數(shù)可以進(jìn)行自動類型轉(zhuǎn)換

類模版實(shí)例化

類模板實(shí)例化是C++中一種創(chuàng)建具體類從泛型類模板的過程。類模板通過允許類型作為參數(shù)，提供了一種強(qiáng)大的方式來編寫靈活且可重用的代碼。實(shí)例化過程中，模板參數(shù)被具體的類型替換，從而生成一個(gè)特定類型的類定義。

template

class Box {

public:

T contents;

Box(T newValue) : contents(newValue) {}

void show() const {

std::cout << contents << std::endl;

}

};

隱式實(shí)例化

在使用類模板時(shí)，你可以讓編譯器通過構(gòu)造函數(shù)或方法的參數(shù)類型來自動推導(dǎo)模板參數(shù)類型。

Box box1(123); // 隱式實(shí)例化為 Box

Box box2("C++"); // 隱式實(shí)例化為 Box

顯式實(shí)例化

也可以顯式地指定模板參數(shù)的類型，明確地告訴編譯器你想要實(shí)例化的具體類型。

Box box1(123); // 顯式實(shí)例化為 Box

Box box2("C++"); // 顯式實(shí)例化為 Box

使用實(shí)例化的類

一旦類模板被實(shí)例化，就可以像使用任何其他普通類一樣使用它。你可以創(chuàng)建對象，調(diào)用方法等。

box1.show(); // 顯示：123

box2.show(); // 顯示：C++

結(jié)尾

最后，感謝您閱讀我的文章，希望這些內(nèi)容能夠?qū)δ兴鶈l(fā)和幫助。如果您有任何問題或想要分享您的觀點(diǎn)，請隨時(shí)在評論區(qū)留言。

同時(shí)，不要忘記訂閱我的博客以獲取更多有趣的內(nèi)容。在未來的文章中，我將繼續(xù)探討這個(gè)話題的不同方面，為您呈現(xiàn)更多深度和見解。

謝謝您的支持，期待與您在下一篇文章中再次相遇！

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