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请回答C++【C++ template】

月孛星君 2022-02-16 阅读 76
c++java经验分享templates泛型

BingWallpaper4

认识C++ template

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1. 泛型编程

1.1 Intro of 泛型编程

泛型注重解决的还是C语言的缺陷，直接上难以简单实现一个通用的交换函数呢，又不支持重载，很麻烦

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;
}

仅通过Cpp的重载可以实现吗？

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

🍁 重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数
🍁 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？

在C++中，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(生成具体类型的代码）

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。、

image-20220213140836436

2 Java中的泛型

老样子回顾一下Java中的泛型

2.1 Intro of Generic

首先泛型在于数据类型的广泛，泛(广泛)型(类型) => Integer, String, Dog

🍁 泛型又称参数化类型,是Jdk5.0出现的新特性,解决数据类型的安全性问题

🍁 在类声明或实例化时只要指定好需要的具体的类型即可。

🍁 Java泛型可以保证如果程序在编译时没有发出警告,运行时就不会产生ClassCastException异常。同时,代码更加简洁、健壮

🍁 泛型的作用是:可以在类声明时通过一个标识表示类中某个属性的类型,或者是某个方法的返回值的类型,或者是参数类型。

2.2 Gramma of Generic

泛型常常和Java中的几个Collection或者Map结合在一起

2.2.1 泛型的声明

image-20220213141502427

2.2.2 泛型的实例化

要在类名后面指定类型参数的值(类型)。

//1.
List<String> strList = new ArrayList<String>(): 
//2.
Iterator<Customer> iterator = customers.iterator();

2.2.3 泛型使用场景

//使用泛型方式给HashSet 放入3 个学生对象
HashSet<Student> students = new HashSet<Student>();
students.add(new Student("pikachu", 18));
students.add(new Student("Raichu", 28));
students.add(new Student("Pichu", 19));
//遍历
for (Student student : students) {
	System.out.println(student);
}

//使用泛型方式给HashMap 放入3 个学生对象
//K -> String     V->Student
HashMap<String, Student> hm = new HashMap<String, Student>();
hm.put("milan", new Student("Charmeleon", 38));
hm.put("smith", new Student("Charizard", 48));
hm.put("hsp", new Student("Charmander", 28));
//迭代器EntrySet
Set<Map.Entry<String, Student>> entries = hm.entrySet();
Iterator<Map.Entry<String, Student>> iterator = entries.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
	Map.Entry<String, Student> next = iterator.next();
	System.out.println(next.getKey() + "-" + next.getValue());
}

2.2.4 泛型使用细节

🍁 T,E只能是引用类型,不能是基本数据类型

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();//OK
List<int> list2 = new ArrayList<int>();//错误

🍁 在给泛型指定具体类型后,可以传入该类型或者其子类类型
🍁 泛型使用形式

List<Integer> list1 = new ArrayList<Integer>();
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
List list3 = new ArrayList();//如果我们这样写，默认给它的 泛型是[<E> E就是 Object ]

2.3 Custom Generic

2.3.1 自定义泛型类语法

class 类名 <T, R...>(//表示可以有多个泛型
	成员
}

倘若类中这么定义

image-20220213144201888

使用的时候就可以这样使用

Tiger<Double,String,Integer> g1 = new Tiger<>("muzii");
g.setT(10); //OK
//g.setT("yy"); //错误，类型不对

Tiger g2 = new Tiger("john~~");//OK T=Object R=Object M=Object
g2.setT("yy"); //OK ,因为T=Object "yy"=String 是Object 子类

//Tiger 中
public void setR(R r) {//方法使用到泛型
	this.r = r;
}
public M getM() {//返回类型可以使用泛型.
	return m;
}

2.3.2 自定义泛型类使用细节

🍁 普通成员可以使用泛型(属性、方法)

🍁 方向标识符可以有多个，一般是单个大写字母

🍁 使用泛型的数组,不能初始化

🍁 泛型类的类型,是在创建对象时确定的(因为创建对象时,需要指定确定类型）

🍁 静态方法中不能使用类的泛型，因为静态是和类相关的，在类加载时，对象还没有创建如果静态方法和静态属性使用了泛型，JVM 就无法完成初始化

🍁 如果在创建对象时,没有指定类型,默认为Object

2.3.3 自定义泛型接口语法

interface 接口名<T, R...> {
    
}

2.3.4 自定义泛型接口使用细节

🍁 接口中,静态成员也不能使用泛型(这个和泛型类规定一样)

🍁 泛型接口的类型,在继承接口或者实现接口时确定

🍁 没有指定类型,默认为Object

//在继承接口指定泛型接口的类型
interface IA extends IUsb<String, Double> {
}

//当我们去实现IA 接口时，因为IA 在继承IUsu 接口时，指定了U 为String R 为Double
//在实现IUsu 接口的方法时，使用String 替换U, 是Double 替换R
class AA implements IA {
@Override
	public Double get(String s) {
		return null;
	}
@Override
	public void hi(Double aDouble) {
	}
@Override
	public void run(Double r1, Double r2, String u1, String u2) {
	}
}

//实现接口时，直接指定泛型接口的类型
//给U 指定Integer 给R 指定了Float
//所以，当我们实现IUsb 方法时，会使用Integer 替换U, 使用Float 替换R
class BB implements IUsb<Integer, Float> {
	 //省略
}

//没有指定类型，默认为Object
//建议直接写成IUsb<Object,Object>
class CC implements IUsb { //等价class CC implements IUsb<Object,Object>
	//省略
}
interface IUsb<U, R> {
	//U name; 不能这样使用
	//普通方法中，可以使用接口泛型
	R get(U u);
	void hi(R r);
	void run(R r1, R r2, U u1, U u2);
	//在jdk8 中，可以在接口中，使用默认方法, 也是可以使用泛型
	default R method(U u) {
		return null;
	}
}

2.3.5 自定义泛型方法语法

修饰符 <T,R..> 返回类型方法名(参数列表){

}

2.3.6 自定义泛型方法使用细节

🍁 泛型方法,可以定义在普通类中,也可以定义在泛型类

//泛型方法，可以定义在普通类中, 也可以定义在泛型类中
class Car {//普通类
	public void run() {//普通方法
	}
	//1. <T,R> 就是泛型
	//2. 是提供给fly 使用的
	public <T, R> void fly(T t, R r) {//泛型方法
	}
}

class Fish<T, R> {//泛型类
	public void run() {//普通方法
	}
	public<U,M> void eat(U u, M m) {//泛型方法
	}
	//1. 下面hi 方法不是泛型方法
	//2. 是hi 方法使用了类声明的泛型
	public void hi(T t) {
	}
	//泛型方法，可以使用类声明的泛型，也可以使用自己声明泛型
	public<K> void hello(R r, K k) {
	}
}

🍁 当泛型方法被调用时,类型会确定

🍁 public void eat(E e) {}修饰符后没有<T,R..> 方法不是泛型方法,而是使用了泛型

2.4 泛型的继承和通配符

2.4.1 泛型通配符和继承快速入门

🍁 泛型不具备继承性

List<Object> list = new ArrayList<String>(0): //不对

🍁 <?>:支持任意泛型类型
🍁 <? extends A>:支持A类以及A类的子类,规定了泛型的上限
🍁<? super A>:支持A类以及A类的父类,不限于直接父类,规定了泛型的下限

//如果是List<?> c ，可以接受任意的泛型类型
//List<? extends AA> c： 表示上限，可以接受AA 或者AA 子类
//List<? super AA> c: 支持AA 类以及AA 类的父类，不限于直接父类

// ? extends AA 表示上限，可以接受AA 或者AA 子类
public static void printCollection2(List<? extends AA> c) {
	for (Object object : c) {
		System.out.println(object);
	}
}

//说明: List<?> 表示任意的泛型类型都可以接受
public static void printCollection1(List<?> c) {
	for (Object object : c) { // 通配符，取出时，就是Object
		System.out.println(object);
	}
}

// ? super 子类类名AA:支持AA 类以及AA 类的父类，不限于直接父类，
//规定了泛型的下限
public static void printCollection3(List<? super AA> c) {
	for (Object object : c) {
		System.out.println(object);
	}
}
class AA {
}
class BB extends AA {
}
class CC extends BB {
}

3. 函数模板

3.1 函数模板概念

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。

3.2 函数模板格式

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)

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

譬如用模板写一个Swap函数

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

3.3 函数模板的原理

函数模板本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。本来我们需要写的代码，然后不想写重复给你一个模板，编译器通过模板，帮我们生成了对应数据类型的代码

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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。

3.4 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。

当然像上面的Swap函数，传进去的参数不可以是两个不同类型的参数，因为这是不匹配的，编译器推不出来，直接报错了

3.4.1 隐式实例化

而如果写一个Add函数的话，写了一个Float型和一个Double型的话，编译器会自动调用隐式实例化

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	// 编译器会通过实参推形参的类型T分别为int和double
	// 这种方式是隐式实例化
	cout << Add(a, b) << endl;
	cout << Add(c, d) << endl;
	
   /*
   	cout << Add(a, c) << endl;//这个不太行
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
*/
    
    // 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
    cout << Add(a, (int)c) << endl;
	return 0;
}

3.4.2 显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

3.5 模板参数的匹配原则

🍁 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

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

🍁 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

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
}

🍁 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

4. 类模板

类模板和函数模板稍有不同

先思考C语言同样也可以实现为什么还会有类模板，说明C语言还会产生一些问题

//类模板
//typedef int VDataType;
typedef double VDataType;
class vector
{
public:
	//略
private:
	VDataType* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};
int main()
{
	vector v1; // int
	vector v2; // double
	return 0;
}

这样写的话我想让v1存的是int，v2存的是double，这样不可以只能再写一个vector类，然而这两个类的实现是很像的，还是没能够很好的解决问题

C++利用模板来解决问题

	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		
	private:
		T* _a;
		int _size;
		int _capacity;
	};

4.1 类模板的定义格式

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

4.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，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> v1;		// int
	vector<double> v2;   // double

4.3 简单实现vector类

namespace allen
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		vector()
			:_a(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{}
		~vector()
		{
			delete[] _a;
			_a = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

		//拷贝构造和operator= 涉及深拷贝
		void push_back(const T& x)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				int newcapacity = (_capacity == 0) ? 4 : _capacity * 2;
				T* tmp = new T[newcapacity];
				if (_a)
				{
					memcpy(tmp, _a, sizeof(T)* _size);
					delete[] _a;
				}
				_a = tmp;
				_capacity = newcapacity;
			}
			_a[_size++] = x;
		}

		//引用返回完成读+写
	T&	operator[] (size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _a[pos];
		}

	size_t size() 
	{
		return _size;
	}
	private: 
		T* _a;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};

}
int main()
{
	allen::vector<int> v1;
	v1.push_back(3);
	v1.push_back(4);
	for (int i=0;i<v1.size();i++)
	{
		cout << v1[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	allen::vector<double> v2;
	v2.push_back(3.1);
	v2.push_back(4.2);
	for (int i = 0; i < v2.size(); i++)
	{
		cout << v2[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}
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