C++：模版初阶

C++：模版初阶 | STL简介

news/发布时间2024/6/16 16:46:31

创作不易，感谢支持！！

一、泛型编程思想

如何实现一个通用的交换函数呢？

注：其实swap函数在C++的标准库提供了，不需要自己写，这边只是举个例子

void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
double temp = left;
left = right;
right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
char temp = left;
left = right;
right = temp;
}
……………………

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：
1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
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

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

我们的祖师爷就思考：比如上面的swap函数，不就是类型不同吗?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来生成代码呢？

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。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（让编译器去识别类型并实例化出相应的对象），是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

二、函数模版

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。

2.1 函数模版格式

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

根据这个格式我们造出swap函数的模版

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

注意：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)

2.2 函数模板的原理

现在我们尝试使用这个模具

那这两个函数都是调用这个模版函数吗？？

调试的时候可以观察到都是走的这个函数，但实际上不是的！！我们通过汇编代码可以看出来

我们发现这两个函数的指令并不一样，这说明调用的根本不是同一个函数！！那原理究竟是怎样的呢？

其实函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式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。

2.3 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。

1、隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

如果传的是另个不同类型呢？？

原因：该语句不能通过编译，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
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

解决方案：

1、既然编译器不敢做类型转化的工作，那我们就自己进行类型转化！！

int转double还好点，double转int会造成精度丢失

2、显示实例化：你不是不敢强转吗，那我就命令你必须强转成某个类型去计算，如果可以转化，那么编译器就会尝试去转化，如果转化不成功，编译器就会报错。

2.4 模版参数的匹配原则

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。

如果有普通函数可以匹配，那么就不会去调用模版函数，但如果我们非得使用模版的Add函数，只需要进行显示实例化即可！！

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。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板

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

也就是说如果找不到匹配的函数，那么优先会去找普通函数，因为普通函数支持强转。

三、类模版

3.1 类模版的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

下面举一个实例的类模版

// 动态顺序表
// 注意：Vector不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template<class T>
class Vector
{
public :
Vector(size_t capacity = 10)
: _pData(new T[capacity])
, _size(0)
, _capacity(capacity)
{}
// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
~Vector();
void PushBack(const T& data)；
void PopBack()；
// ...
size_t Size() {return _size;}
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _pData[pos];
}
private:
T* _pData;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
if(_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

注意：模版的声明和定义不能放在不同的文件里，应该统一放在头文件里最合适。

3.2 类模版的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同（无法像函数那样根据参数类型去推导，必须用户显式实例化），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，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

注意：Vector类名，Vector<int>才是类型

四、STL简介

4.1 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

4.2 STL版本

1、原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本--所有STL实现版本的始祖。

2、P. J. 版本
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。

3、RW版本
由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。

4、SGI版本

由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。STL源码剖析这本书，主要参考的就是这个版本。

4.3 STL六大组件

4.4 STL的重要性

网上有句话说：“不懂STL，不要说你会C++”。STL是C++中的优秀作品，有了它的陪伴，许多底层的数据结构以及算法都不需要自己重新造轮子，站在前人的肩膀上，健步如飞的快速开发。
STL给我们做算法题也提供了思路

4.5 学习STL参考文献

4.6 STL缺陷（参考）

1. STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。
2. STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。
3. STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。
4. STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。