Cplusplus函数模板（上）

这是一篇关于Cplusplus函数模板（上）的思维导图，其中内容包括了Cplusplus模板函数使用大全。

C++函数模板（上）

• 函数模板定义
  • 不是一个实实在在的函数
  • 对逻辑功能相同，但数据类型不同的一组函数的统一描述
  • 利用函数模板可以对函数的类型进行参数化处理
    • 返回类型
    • 参数类型
    • 像变量一样改变
  • 利用函数模板可以用一种逻辑过程，处理不同类型的数据，从而极大地提高编程的效率。
• 使用函数模板的意义
  • 模板是对函数类型的参数化
    • 函数的返回类型
    • 函数的参数类型
  • 强类型语言
    • C++是一种强类型语言，也就是说，C++中数据的类型一旦确定，就不能修改了，这种特性也体现在函数上。C++函数在声明和定义时，必须指定函数的返回类型以及各个参数的类型。调用函数时也必须按照函数的声明，传入适当类型的实参，并用相应类型的变量保存函数的返回值。如果要用这个函数处理其他类型的参数，则必须定义新的函数。
    • 虽然调用函数时实参和形参的类型可以不一致，但由于存在类型转换，数据精度可能会受到影响，而这种影响通常是不能被接受的。所以必须针对不同的数据类型，重新定义函数的各个版本。
    • 例如定义一个简单的求数组中最小值的函数，要求可以处理各种数据类型。如果不使用模板，那么开发者不得不针对每种类型写一个定义
  • 示例
    • • 这里只写出了针对int型和double型数组的函数。为了适应各种情形，还应当编写针对float， char，short，long，unsigned int等所有数据类型的函数。除此之外，还要支持自定义数据类型（如结构体、类）。
    • 如此一来，代码量就会大大增加。而且，一旦算法逻辑发生改变，或者要纠正某个错误，所有的重载函数都需要修改。显然这种面面俱到的方式并不是一种好的做法。
  • 所有这些函数在算法逻辑上都是一样的，不同的只是所处理数据的类型。
    • 如果能将函数的返回类型以及参数类型当做变量对待
      • 当需要处理不同类型数据的函数时，只要将这些“类型变量”赋值为所需的类型就好了。
        • 只编写一次通用算法逻辑就可以处理所有的数据类型，这就是函数模板的含义。
  • 函数模板示意图
    • • 通过使用函数模板，避免了定义多余的重载函数，提高了开发效率。
  • 示例
• 定义函数模板
  • 抽取通用算法逻辑
    • 动机：定义函数模板，常常是出于这样的动机：定义一个对各种数据类型都通用的算法逻辑。
    • • 以这里的通用算法逻辑就是两个参数相加，并返回其结果。
    • 实际上，不仅仅类型可以作为模板参数，常量也可以作为模板参数。比如在上节中定义的求数组最小值的函数模板中，数组大小也可以作为模板参数。
    • 特化处理
      • 所谓通用算法逻辑只是一个相对的概念，对于某些特殊的数据类型，或许并不适合该算法。比如字符串的相加（表示字符串连接），直接使用加法运算符“+”就没有意义。对于这种特殊的情况，应当对函数模板进行特化处理
  • 语法
    • • 定义函数模板使用template关键字
      • 其后是用逗号分隔的模板参数列表
        • 模板参数可以是一个类型参数，代表一种类型
        • 也可以是一个非类型参数，代表一个常量。
        • 可以是一个或多个类型参数，也可以是一个或多个非类型参数，甚至可以是两种参数的混合。
      • 用尖括号“<”和“>”括起来，该列表不能为空
    • 模板参数
      • 类型参数
        • 前面要带上 typename关键字
      • 非类型参数
        • 可以像声明普通参数一样声明。
      • template <typname T1, typename T2, int num, double value>;
      • 上述模板参数列表中声明了两个类型参数T1和T2，代表两种数据类型，可以是内置的类型，也可以是自定义类型。同时，该模板参数列表还声明了两个非类型参数 num 和 value，表示该模板在定义过程中可以将num和value当做常量使用。
      • typename关键字也可以用class关键字代替，两者意义相同，都可以用来声明类型参数。但是用typename更好一些，可以明白地表示后面的参数是一个“类型名”。而且typename是C++标准化的产物，而class关键字则是为了支持C++标准化之前的程序而保留下来的。
      • 在函数参数列表以及函数体的定义过程中，可以使用模板参数列表中的参数。
        • 类型参数
          • 函数返回值
          • 形参
          • 函数体临时变量
        • 非类型参数
          • 函数体中的常量
          • 函数的默认实参
      • 模板的类型参数 Type 与具体类型的关系有点儿类似变量和变量值的关系。Type是一个类型变量，其类型就是“类型”，而其值就是某种具体类型，如 int，double等。
      • C++标准规定模板参数必须在程序编译时确定。因此非类型的模板参数的值必须是一个常量，而且是编译时就能确认的常量，包括字面常量、符号常量（const常量）。
    • 参数化的函数定义
      • 参数化
        • 函数返回类型参数化
        • 参数类型的参数化
        • 函数中常量类型的参数化
      • 示例
        • 定义一个求最小值的函数模板，对于整数、浮点数其计算过程都是一样的，不一样的只是参数和返回值的类型
        • • 第一个Type是函数返回类型的参数
          • 第二个Type和后面的ary[]表示Type类型的数组形参
          • 第四行的Type用来在函数体中定义一个临时变量，该变量的类型是Type类型。
          • Type是min模板的模板参数，Type可以用来表示多种数据类型，只是此时还未确定，要到模板min被使用时才能确定。
      • 使用非类型参数
        • 函数模板中使用非类型参数，其目的就是为函数引入一个常量，以供定义函数时使用。
        • 然这个常量也可以作为函数参数的默认值使用
        • 示例
• 使用函数模板
  • 由于函数模板不是函数，所以使用函数模板也不是函数调用。
  • 在使用函数模板之前，必须先确定模板的参数。在C++中，函数模板参数的确定可以由用户明确指定，也可以由编译器自行推导。
  • 实例化函数模版
    • 实例化过程
      • 根据一组或更多具体类型或值构造出具体的函数。
      • 过程是隐式的，编译器会根据使用模板时的情况自动构造。
    • 函数模板
      • 被实例化2次
        • 一次是针对含5个int类型数的数组类型
        • 另一次是针对含7个double类型数的数组类型
        • 函数模板 min 被实例化后，形成了两个具体的函数，就像是程序员直接写成的那样。只不过这两个函数作为编译器的中间结果，只对编译器是可见的，而程序员看不到。
      • 类型参数Type和非类型参数size都被用做函数参数。
      • 为了判断用做模板实参的实际类型和值，编译器需要检查函数调用中提供的函数实参的类型。
  • 示例
    • 下面定义一个函数模板，用于在一个数组中查找某个值。如果找到了，则返回该值在数组中的位置；如果找不到，就返回-1。
  • 取函数模板的地址
    • 取函数模板的地址时也会导致函数模板的实例化。
    • 因为函数模板并不是真正的函数，所以其本身也没有地址。但是 C++并不把“&函数模板名”（取地址符号‘&’也可以省略）这样的用法当做一个错误，而是先对该函数模板进行实例化，然后取实例化所生成函数的地址。
    • 取函数模板的地址实际上是取函数模板实例的地址。函数模板在程序运行时并不存在，存在的只是其实例。函数模板实例化发生在编译期，而取地址则发生在程序运行期。
    • 同取普通函数的地址一样，在取之前需要先定义一个指向该函数模板实例的函数指针。该函数指针的类型就是用来实例化函数模板的参数。
    • 示例
      • 函数指针pf用模板min的地址进行初始化。pf的类型是一个接受拥有3个整型元素的数组，并返回一个整型数的函数。
        • 当用模板min的地址初始化函数指针pf的时候，编译器就会通过pf的类型定义来获取模板实例化参数，并进行实例化。（int min( int (&)[3] )）
          • 实例化的结果是一个实实在在的函数，运行时就可以获取其地址。
      • 在取函数模板实例的地址时，模板实参必须是确定的、唯一的类型或值。如果不唯一，则会导致编译错误。
      • • 在这个例子中，func 函数有两个重载版本，其接受的参数分别为两个不同类型的函数指针：INT_FUNC和DOU_FUNC。如果将函数模板min作为参数传递给func函数，则用这两种类型的函数指针去实例化 min 模板就会导致冲突。因为无法判断到底应该用哪种类型的函数指针去实例化模板
        • 要解决这个问题，可以用以下两种方法：
          • 一种是明确指明模板实例化参数。
          • 一种是使用强制类型转换。
        • int main(){ func(min<int, 3>) }
          • 明确指明模板实例化参数
            • 显式模板实参
        • int main(){ func(static_cast<INT_FUNC>(min)); }
          • 强制转换指定实参类型
  • 函数模板的实参推演
    • 当函数模板被调用时，编译器根据函数的实参决定模板实参，这个过程称为模板实参推演。
    • 函数模板实参推演的具体步骤如下
      • 依次检查每个函数实参，以确定在每个函数参数的类型中出现的模板参数。
        • 找位置
      • 如果找到模板参数，则通过检查函数实参的类型，推演出相应的模板实参。
        • 匹配模板实参
      • 函数的形参和实参的类型不必完全匹配，只要能够将实参转换为形参的类型即可。
    • 示例
      • • 找到实参da和3.3，其类型都是double。
        • 根据函数模板的声明，通过实参数组da得到第一个模板类型参数T的值是double
        • 同时，数组da的大小是6，所以模板实参size的值也是
    • 注意
      • 多个函数实参可以参加同一个模板实参的推演过程。如果模板参数在函数参数表中出现多次，则每个推演出来的类型都必须相同。
        • 示例
          • • 在调用函数模板min时，根据第一个参数推演出来的模板实参是unsigned int，而根据第二个参数推演出来的是int。这两个类型不同，因此这个函数模板不能这么使用，而应当如下调用：
            • min(ui, 1024u);
              • 这样，根据两个函数实参推演出来的模板实参都是unsigned int，符合要求。
    • 实参推演中的类型转换
      • 在函数模板实参的推演过程中，函数实参的类型不一定要严格匹配相应模板实参的类型。只要能够将函数实参转换成相应的模板实参即可。
        • 左值转换
        • 限定符修饰转换
        • 到基类的转换
          • 该基类根据一个类模板实例化而来
      • 左值转换
        • 左值定义
          • 就是可以放在赋值表达式左面的值，也就是可以改变值的程序实体，变量、引用就是左值。
            • 指针
            • 函数指针
            • 普通变量
        • 右值定义
          • 就是放在赋值表达式右面的值，也就是可以从中读取数据的程序实体，例如各种常量、表达式等，变量也是右值。
            • 数组名
            • 函数名
            • const符号常量
        • 左值 =右值
          • 并不是将左值变成右值，而是说将左值当做右值使用。
        • 包括
          • 从左值到右值的转换
          • 从数组名到指针的转换
          • 从函数名到函数指针的转换
          • 重点
        • 示例
          • • 虽然传递给模板 Fun 的并不是符号常量和指针，但是编译器依然可以推导出正确的模板实参。
            • 变量a是一个普通的整型变量，是一个左值。a作为实参，对应模板Fun的第一个参数。该参数是一个被const修饰的右值。由于左值可以转换为右值，所以可以推定T1的类型为int。同样，由于数组可以转换为指针，所以可以推定T2的类型是double。
      • 限定修饰符转换
        • 限定修饰符包括const和volatile。限定符转换指的是普通的指针变量可以转换为const或者volatile型指针。
        • 如果模板实参和形参之间存在这样的转换，那么编译器也可以推导出正确的模板实参类型。
        • volatitle
          • volatile的含义是“易变的；变化多端的”，该关键字通常用在多线程程序中。如果一个变量没有被volatile修饰，则编译程序通常会对其取值过程进行优化。即不必每次都去内存中取值，而是尽可能在CPU的寄存器中取值。但是在多线程程序中，该变量在内存中的值可能会被其他线程修改，如果只是在寄存器中取值，有可能取到的不是最新的值。如果变量用volatile修饰，则编译程序不会优化，而是每次都到内存中取值。
        • 限定符修饰转换指的是可以将限定修饰符const和volatile施加到指针变量上。在进行模板实参推演时，如果实际给出的参数是指针，但模板形参是被const或volatile修饰的指针则编译器仍然可以推导出正确的模板实参。
        • 示例
          • • 在上述程序中，函数模板Foo接受的参数是一个const指针。但是在实际使用该模板时传入的函数实参却是普通的指针。不过，由于编译器在进行函数模板的实参推演时，允许const修饰转换。所以，依然可以精确地推定模板的实参，依次为int，char和Student。
      • 到基类的转换
        • 模板的函数参数是一个类模板，而该类模板的某个实例有派生类。在使用该函数模板时，传递的参数可能是其派生类的对象，而不是基类的对象。尽管不能跟函数模板声明中的形参精确匹配，但是由于允许将派生类转换为基类，所以编译器仍然能够推演出正确的模板实参。
          • 所谓类模板，简单来说就是定义一个类时，类中的某些数据类型进行了参数化。
        • • 函数模板Foo的函数形参是类模板Base某个实例的对象。
          • 在使用模板Foo时，传递的函数实参可以是Derived的某个实例的对象
          • 例如Derived<int> iObj或者Derived<double> dObj。这个实参不必一定是Base的某个实例的对象。这是因为在进行模板实参推演时，允许派生类到基类的转换。
          • 在上述程序中，虽然 Derived<double>并不是 Base<double>，但是编译程序依然
          • 可以推演出正确的模板实参double。
  • 显式指定函数模板的实参
    • 显式指定函数模板的实参也称为显式实例化，其作用主要是解决模板实参推演时的二义性问题。既然指定了模板实参，那么在使用函数模板时就不必进行实参推演了，也就避免了实参推演的二义性问题。例如上节的min模板，可以如下显式指定其模板实参：
    • 上述调用的第二个实参是字面常量1024，其类型是int。因为通过显式模板实参已经推定函数的参数类型为unsigned int，所以参数1024会被转换为类型为unsignedint的参数。