C++ 2022 年 6 月 30 日

[C++] 初接触-泛型编程 - C++模板分析: 函数模板结构、原理分析、类模板分析...

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

C++ 泛型编程约2180字 -- 阅读时间≈10分钟

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

C++中的的模板, 分为两部分:

函数模板
类模板

本篇文章就从函数模板开始讲起

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

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:

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

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

如果存在一个非模板函数与函数模板同名

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:
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
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

类模板的结构

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:

需要加上模板参数列表
需要在成员函数前标明类域

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

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

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
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:

作者：哈米d1ch 发表日期：2022 年 6 月 30 日