C语言的模板与泛型编程是什么

2023-06-29 19:01

短信预约 -IT技能 免费直播动态提醒

本篇内容主要讲解“C语言的模板与泛型编程是什么”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“C语言的模板与泛型编程是什么”吧!

模板与泛型编程浅谈

摘要(Effective C++)：

C++template的最初发展动机很直接：让我们得以建立“类型安全”的容器如vector,list和map。然而当愈多人用上templates时，他们发现template有能力完成愈多可能的变化。容器当然很好，但泛型编程(generic programming)——写出的代码和其所处理的对象类型彼此独立——更好。STL算法如for_each，find和merge就是这一类编程的结果。最终人们发现，C++template机制自身是一部完整的图灵机：它可以用来计算任何可计算的值。于是导出了模板元编程(template mataprogramming)，创造出“在C++编译器内执行并于编译完成时停止执行”的程序。

模板与泛型编程简单介绍

面向对象编程（OOP）和泛型编程都可以处理编写程序时不知道类型的情况；二者的不同之处在于：OOP能处理类型在程序运行之前都未知的情况；而在泛型编程中，在编译时就能获知类型了

我们所常用的STL标准库中，每一个容器都提供了单一的，泛型的定义，例如我们所常用的vector，我们可以定义很多类型的vector

vector<int> vi; // vi是装载int类型的vector容器的实例vector<string> vs; // vs是装载string类型的vector容器的实例vector<double> vd; // vd是装载double类型的vector容器的实例

模板是泛型编程的基础，一个模板就是一个创建类或者函数的蓝图或者公式

函数模板

// 简单的比较函数模板template<typename T>int cmp(const T& v1,const T& v2) {    if(v1<v2)        return -1;    else if(v1>v2)        return 1;    else        return 0;}

函数定义以关键字template开始，后跟一个模板参数列表，这是一个逗号分隔的一个或多个模板参数的列表，用尖括号包围起来

**注：**在模板定义中，模板参数列表不能为空

模板参数列表表示在类或函数定义中用到的类型或者值。当我们使用模板的时候，我们可以（显式或隐式地）指定模板实参，将其绑定到模板参数上

简单了解模板的实例化过程

众所周知，当你觉得模板编程十分智能的时候，一定是有东西在为你负重前行，C++提供了模板与泛型编程的这个能力，这便意味着有一个东西在为你动态地实现模板的功能，而这一定是比C++这个高级语言层面更为底层的东西，而我们所了解的知识中，比C++高级语言较为底层的东西，除了操作系统，便是编译器了。

当我们调用一个函数模板的时候，编译器（通常）用函数实参来为我们推断模板实参。简单来讲，便是我们在调用函数模板的时候，编译器通过使用实参的类型来确定绑定到模板参数T的类型

cout<<cmp(1,0)<<endl; // T为int

在上诉代码中，函数cmp的实参类型是int，编译器便会推断出模板实参为int，并将它绑定到模板参数T上

简单来说，编译器用推断出的模板参数来为我们实例化一个特定版本的函数

模板编译

当编译器遇到一个模板定义的时候，它并不会生成代码。只有我们实例化出模板的一个特定的版本时，编译器才会生成其对应的代码。当我们使用（而不是定义）模板时，编译器才会生成代码。这个特性影响我们如何组织代码以及错误何时才可以被检测到

通常来说，我们将类定义和函数说明放在头文件中，而普通函数和类的成员函数的定义放在源文件中

模板则不尽相同：为了生成一个实例化的版本，编译器需要掌握函数模板或类模板成员函数的定义

总结：与非模板代码不同，模板的头文件通常既包括声明也包括定义，即函数模板和类模板成员函数的定义通常放在头文件中

大多数编译错误出现的时机

第一阶段，编译模板本身时，该时期所出现的错误大多数为语法错误
第二阶段，编译器遇到模板使用时
第三阶段，模板实例化时，而只有在这个阶段才能发现类型相关的问题

**注意事项：**保证传递给模板的实参支持模板所要求的操作，以及这些操作在模板中能正确的工作，是调用者的责任

类模板

类模板是用来生成类的蓝图的。与函数模板不同之处是，编译器不能为类模板推断模板参数类型。 所以我们必须在模板名后的尖括号中提供额外的信息——用来替代模板参数的模板实参列表

vector<int> vi;deque<double> dd;pair<string,int> key_val;

定义类模板

template<typename T>class T_vector {public:typedef T value_type;    // 构造函数    T_vector() =default;    T_vectot(std::initializer_list<T> il);    // 容器的元素数目    size_type size() const { return data->size(); }    bool empty() const { return data->empty(); }    // 添加元素    void push_back(const T& val) {         data->push_back(val);    }    void push_back(T &&val) {        data->push_back(std::move(val));    }private:    std::shared_ptr<std::vector<T> > data;    // 若data[i]无效，则抛出msg    void check(size_type i,const std::string &msg) const;}

类似函数模板，类模板以关键字template开始，后跟模板参数列表。在类模板（及其成员）的定义中，我们将模板参数当作替身，代替使用模板时用户需要提供的类型或值

**注：**一个类模板的每一个实例都形成一个独立的类，而类模板的每个实例都有其自己版本的成员函数

所以，我们可能会出现一个单一模板并不能满足所有类型的需求，而模板特例化就出现了

类模板成员函数的实例化

默认的情况下，一个类模板的成员函数只有在程序用到它的时候才会实例化

// 实例化T_vector和接受initializer_list<int>的构造函数T_vector<int> T_vi = { 0,1,2,3,4,5 };

如果一个成员函数没有被使用，则它将不会被实例化

为什么我们需要模板特例化？

当我们编写单一的模板时，使其对任何可能的模板实参都是最合适的，都能实例化，但者往往都是过于理想化的情况。在某些特殊的情况下，通用的模板的定义可能对特定的类型是不合适的，通用定义的模板可能会出现编译失败或者做得不够完善的情况。

故，当我们不能（或者不希望）使用模板版本的时候，可以定义类或函数模板的一个特例化版本

定义函数模板特例化

// 原先cmp函数的特殊版本，用来处理特殊的字符数组的指针template<>int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {    return strcmp(p1,p2);}// 原先cmp函数的特殊版本，用来处理特殊的字符数组的指针template<>int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {    return strcmp(p1,p2);}

函数重载与模板特例化的区别

当定义函数模板的特例化版本时，我们本质上接管了编译器的工作。即，我们为原先的模板的其中一个特殊的实例提供了定义。简而言之，特例化的本质是实例化一个模板，而非重载它，因此特例化并不影响函数匹配

注意事项：