32、不一样的C++系列--函数模板

函数模板

泛型编程

首先考虑一个问题：c++中有几种交换变量的方法？

1、宏代码块：

#define SWAP(t, a, b)    \do                       \{                        \    t c = a;             \    a = b;               \    b = c;               \}while(0)

优点： 代码复用，适合所有的类型
缺点：编译器不知道宏的存在，缺少类型检查

2、函数：

void Swap(int& a, int& b){    int c = a;    a = b;    b = c;}

优点：真正的函数调用，编译器对类型进行检查
缺点：根据类型重复定义函数，无法代码复用

那有没有一种方法能集合这两种方法的优点呢？这里，我们来学习一个新的概念：

• 泛型编程的概念
  
  • 不考虑具体数据类型的编程方式

对于Swap函数可以考虑下面的泛型写法

void Swap(T& a, T& b){    T t = a;    a = b;    b = t;}

Swap泛型写法中的T不是一个具体的数据类型，而是泛指任意的数据类型。

函数模板

• C++中泛型编程
  
  • 函数模板
    
    • 一种特殊的函数可用不同类型进行调用
    • 看起来和普通函数很相似，区别是类型可被参数化
    • 能够根据实参对参数类型进行推导
  • 函数模板的语法规则
    
    • template 关键字用于声明开始进行泛型编程
    • typename关键字用于声明泛指类型

template<typename T>void Swap(T& a, T& b){    T t = a;    a = b;    b = t;}

• 函数模板的使用
  
  • 自动类型推导调用
  • 具体类型显示调用

int a = 0;int b = 1;Swap(a, b);         // 自动推导float c = 2;float d = 3;Swap<float>(c, d);  // 显示调用

这里举一个例子：

#include <iostream>#include <string>using namespace std;//定义函数模板template < typename T >void Swap(T& a, T& b){    T c = a;    a = b;    b = c;}//定义函数模板//注意这里显示的指定参数类型template < typename T >void Sort(T a[], int len){    for(int i=0; i<len; i++)    {        for(int j=i; j<len; j++)        {            if( a[i] > a[j] )            {                Swap(a[i], a[j]);            }        }    }}//定义函数模板//注意这里显示的指定参数类型template < typename T >void Println(T a[], int len){    for(int i=0; i<len; i++)    {        cout << a[i] << ", ";    }    cout << endl;}int main(){    //定义一个int类型的数组    int a[5] = {5, 3, 2, 4, 1};    //使用函数模板    //使用时注意，因为Sort和Println第二个参数指定了参数类型，    //所以一定要注意类型匹配    Println(a, 5);    Sort(a, 5);    Println(a, 5);    //定义一个string类型的数组    string s[5] = {"Java", "C++", "Pascal", "Ruby", "Basic"};    //使用函数模板    Println(s, 5);    Sort(s, 5);    Println(s, 5);    return 0;}

输出结果为：

5, 3, 2, 4, 1, 1, 2, 3, 4, 5, Java, C++, Pascal, Ruby, Basic, Basic, C++, Java, Pascal, Ruby, 

函数模板进一步理解

• 函数模板的理解
  
  • 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数
  • 编译器会对 函数模板进行两次编译
    
    • 对 模板代码本身 进行编译
    • 对 参数替换后的代码 进行编译
• 注意事项：
  
  • 函数模板本身不允许隐式类型转换
    
    • 自动推导类型时，必须严格匹配
    • 显示类型指定时，能够进行隐式类型转换

在这里举一个例子：

#include <iostream>#include <string>using namespace std;class Test{public:    Test()    {    }    Test(const Test &)    {    }};template < typename T >void Swap(T& a, T& b){    T c = a;    a = b;    b = c;}typedef void(FuncI)(int&, int&);typedef void(FuncD)(double&, double&);typedef void(FuncT)(Test&, Test&);int main(){    FuncI* pi = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 int    FuncD* pd = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 double    FuncT* pt = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 Test    cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;    cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;    cout << "pt = " << reinterpret_cast<void*>(pt) << endl;    return 0;}

最终的输出结果为：

pi = 0x104506f10pd = 0x104506f40pt = 0x104506f80

多参数函数模板

• 函数模板可以定义任意多个不同的类型参数

template<typename T1, typename T2, typename T3>T1 Add(T2 a, T3 b){    return static_cast<T1>( a + b );}//调用int r = Add<int, float, double>(0.5, 0.8);

• 对于多参数函数模板
  
  • 无法自动推导返回值类型
  • 可以从左向右部分指定类型参数
  • 工程中将返回值参数作为第一个类型参数

// T1 = int, T2 = double, T3 = doubleint r1 = Add<int>(0.5, 0.8);// T1 = int, T2 = float, T3 = doubleint r2 = Add<int, float>(0.5, 0.8);// T1 = int, T2 = float, T3 = floatint r3 = Add<int, float, float>(0.5, 0.8);

继续举例子：

#include <iostream>#include <string>using namespace std;template < typename T1, typename T2, typename T3 >T1 Add(T2 a, T3 b){    return static_cast<T1>(a + b);}int main(){    // T1 = int, T2 = double, T3 = double    int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);    // T1 = double, T2 = float, T3 = double    double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);    // T1 = float, T2 = float, T3 = float    float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);    cout << "r1 = " << r1 << endl;     // r1 = 1    cout << "r2 = " << r2 << endl;     // r2 = 1.3    cout << "r3 = " << r3 << endl;     // r3 = 1.3    return 0;}

输出结果为：

// 返回值为int，所以强制类型转换为1r1 = 1// 返回值为double，返回正常的double值r2 = 1.3r3 = 1.3

重载函数模板

• 函数模板可以像普通函数一样被重载
  
  • C++编译器优先考虑普通函数
  • 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
  • 可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板

int r1 = Max(1, 2);//这里Max<>限定编译器只匹配函数模板double r2 = Max<>(0.5, 0.8);

举最后一个例子：

#include <iostream>#include <string>using namespace std;//定义包含2个参数的函数模板template < typename T >T Max(T a, T b){    cout << "T Max(T a, T b)" << endl;    return a > b ? a : b;}//定义一个普通函数，但函数名和函数模板一样int Max(int a, int b){    cout << "int Max(int a, int b)" << endl;    return a > b ? a : b;}//重载函数模板template < typename T >T Max(T a, T b, T c){    cout << "T Max(T a, T b, T c)" << endl;    return Max(Max(a, b), c);}int main(){    int a = 1;    int b = 2;    // 普通函数 Max(int, int)    cout << Max(a, b) << endl;                       // 函数模板 Max<int>(int, int)    cout << Max<>(a, b) << endl;                     // 函数模板 Max<double>(double, double)    cout << Max(3.0, 4.0) << endl;                   // 函数模板 Max<double>(double, double, double)    cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl;              // 普通函数 Max(int, int)    cout << Max('a', 100) << endl;                   return 0;}

输出结果为：

// 普通函数 Max(int, int)int Max(int a, int b)2// 函数模板 Max<int>(int, int)T Max(T a, T b)2// 函数模板 Max<double>(double, double)T Max(T a, T b)4// 函数模板 Max<double>(double, double, double)T Max(T a, T b, T c)T Max(T a, T b)T Max(T a, T b)7// 普通函数 Max(int, int)int Max(int a, int b)100