C++中的函数模板

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 = 0x104506f10
pd = 0x104506f40
pt = 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 = double
int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);

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

// T1 = int, T2 = float, T3 = float
int 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1
r1 = 1
// 返回值为double，返回正常的double值
r2 = 1.3
r3 = 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