泛型编程

引入 - 通用的交换函数

如果让你编写一个函数，用于两个数的交换。在C语言中，我们会用如下方法：

// 交换两个整型
void Swapi(int* p1, int* p2)
{int temp = *p1;*p1 = *p2;*p2 = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swapd(double* p1, double* p2)
{double temp = *p1;*p1 = *p2;*p2 = tmp;
}

因为C语言不支持函数重载，所以用于交换不同类型变量的函数的函数名是不能相同的，并且传参形式必须是址传递，不能是值传递。
而在学习了C++的函数重载和引用后，我们又会用如下方法实现两个数的交换：

// 交换两个整型
void Swap(int& left, int& right)
{int temp = left;left = right;right = temp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swap(double& left, double& right)
{double temp = left;left = right;right = temp;
}

C++的函数重载使得用于交换不同类型变量的函数可以拥有相同的函数名，并且传参使用引用传参，使得代码看起来不那么晦涩难懂。

但是，这种代码仍然存在它的不足之处：

1. 重载的多个函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要出现新的类型需要交换，就需要新增对应的重载函数。
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自动来生成代码呢？

就像小时候玩橡皮泥的一些动物等模子一样，我们放入不同颜色的材料，就能得到形状相同但颜色不同的动物模型了。

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具填充不同颜色的材料(类型)，从而得到形状相同但颜色不同的月饼(生成具体类型的代码)，那将会大大减少代码的冗余。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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

函数模板

函数模板的概念

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。

函数模板的格式

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

例如：

template<typename T> 
void Swap(T& left, T& right)
{T temp = left;left = right;right = temp;
}

注意：

1. template 是定义模板的关键字，后面跟的是尖括号 < >
2. 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)
3. T1, T2, …, Tn 表示的是函数名（就像函数的参数名一样），可以理解为模板的名字，名字你可以自己取。

有了函数模板，就可以解决我们上述交换的问题了。

我们可以发现，这些不同的类型，我们都完成了交换。

函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数。是编译器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。

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。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

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。

上面只体现了对同一类型变量的交换，若我们想对不同类型变量进行交换时，使用上面的函数模板就会报错，完成不了我们的需求。那我们该怎么办呢？

一、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 = 10.1, d2 = 20.2;// 自动推演实例化cout << Add(a1, a2) << endl;cout << Add(d1, d2) << endl;return 0;
}

这还是对同一类型的变量进行相加，那如果是不同类型相加呢？为什么不同类型的变量相加不能使用上面的模板呢？

Add(a1, d1);//什么不行呢？

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。

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。

此时，我们有三种处理方式，第一种就是我们在传参时将b强制转换为int类型，第二种就是使用下面说到的显示实例化，第三种就是使用多个参数模板

不同类型形参传参时的处理：

1. 传参时强转（对应形参需要const修饰）

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)//const接收常性实参
{return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.1, d2 = 20.2;//对于只有一个参数模板，只能在传参时，自己去强转成一样的类型cout << Add((double)a1, d2) << endl;//强转，临时变量传参，具有常性cout << Add(a1, (int)d2) << endl;//强转，临时变量传参，具有常性return 0;
}

使用强制类型转换在推演的时候将形参转换成同一类型。

2. 显式实例化（传参时隐式类型转换，对应形参需要const修饰）

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)//需要使用const接收
{return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.1, d2 = 20.2;// 显示实例化//指定模板参数的实际类型为doublecout << Add<double>(a1, d2) << endl;//显式实例化，a1发生隐式类型转换//指定模板参数的实际类型为intcout << Add<int>(a1, d2) << endl;//显式实例化，d2发生隐式类型转换return 0;
}

3. 使用多个模板

template<class T1, class T2>//两个参数模板，可以传不同类型的参数  //可以写typename也可以写class
T1 Add(const T1& left, const T2& right)//返回值类型只能选择其中一种
{return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.1, d2 = 20.2;cout << Add(a1, d2) << endl;cout << Add(d1, a2) << endl;return 0;
}

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,调用非模板函数，编译器不需要实例化Add<int>(1, 2); // 调用编译器实例化的Add版本
}

2. 对于非模板函数和同名的函数模板，如果其他条件都相同，在调用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。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么选择模板

//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(const T1& x, const T2& y)
{return x + y;
}
int main()
{Add(10, 20); //与非模板函数完全匹配，不需要函数模板实例化Add(2.2, 2); //函数模板可以生成更加匹配的版本，编译器会根据实参生成更加匹配的Add函数return 0;
}

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

template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}
int main()
{Add(2, 2.2); //模板函数不允许自动类型转换，不能通过编译//因为只有一个参数模板，只能在传参时，自己去强转成一样的类型return 0;
}

类模板

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
};

例如：

template<typename T>
class Scores
{
public:void Print(){cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;}
private:T _Math;T _Chinese;T _English;
};

注意： 类模板中的成员函数若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。

template<class T>
class Scores
{
public:void Print();
private:T _Math;T _Chinese;T _English;
};
template<class T>
void Scores<T>::Print()
{cout << "数学:" << _Math << endl;cout << "语文:" << _Chinese << endl;cout << "英语:" << _English << endl;
}

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（显示实例化），类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

这句话的理解：

//Score不是真正的类，Score<int>和Score<double>才是真正的类
Score<int> s1;//需要显示实例化
Score<double> s2;

我们还需注意的是，虽然是由同一个类模板实例化出来的，但实例化出来的两个类不是同一个类，因为他们的类型大小都不相同。
例如：我们以前定义的栈类

template<typename T>
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack(int capacity = )" <<capacity<<endl;_a = (T*)malloc(sizeof(T)*capacity);if (_a == nullptr){perror("malloc fail");exit(-1);}_top = 0;_capacity = capacity;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}void Push(const T& x){// ....// 扩容_a[_top++] = x;}private:T* _a;int _top;int _capacity;
};int main()
{// 类模板一般没有推演时机，函数模板实参传递形参，推演模板参数// 类模板只能显示实例化// 他们是同一个类模板实例化出来的// 但是模板参数不同，他们就是不同类型Stack<double> st1; // doublest1.Push(1.1);Stack<int> st2; // intst2.Push(1);return 0;
}