STL与泛型编程（第一周）

part 1 C++模版简介

一，模版概观

1.模板 (Templates)是C++的一种特性，允许函数或类(对象)通过泛型(generic types)的形式表现或运行。

　模板可以使得函数或类在对应不同的型别(types) 的时候正常工作，而无需为 每一个型别都写一份代码。

2.C++主要有两种类型的模板:

　　（1）类模板(Class template): 使用泛型参数的类(classes with generic parameters)

　　（2）函数模板(Function template): 使用泛型参数的函数(functions with generic parameters)

3.模版实例化　　

　　模板的声明(declaration)其实并未给出一个函数或类的完全定义(definition)，只是提供了一个函数或类的语法框架(syntacticalskeleton)。

　　实例化是指从模板构建出一个真正的函数或类的过程，比如:

template <typename T> struct Object { . . . };

可以用来构建诸如Object<int>, Object<char>, Object<int*>, Object<MyClass*>等等不同型别的具体实例。

　　实例化有两种类型:

　　（1）显式实例化–在代码中明确指定要针对哪种型别进行实例化。
　　（2）隐式实例化–在首次使用时根据具体情况使用一种合适的型别进行实例化。

二，模版函数

4.函数模版

　定义：函数模板是参数化的一族函数(a family of functions)。

　通过函数模板, 可以定义一系列函数，这些函数都基于同一套代码，但是可以作用在不同型别的参数上。

template <typename T>
T max(const T& a, const T& b)
{
return (a>b) ? a : b;
}

　　也可以使用 class 来代替 typename ， 但是不推荐使用。

5.模版的使用

int i = 1, j = 2;
max(i, j);    // 正确

int f = 3.1, g = 4.2
max(f, g);    //正确

max(i, f);    //错误
//compile error:  template parameter 'T' is  ambiguous

6. 模版实例化

　用具体型别替代模板参数T的过程叫做实例化(instantiation);从而产生了一个模板实例。

　一旦使用函数模板，这种实例化过程便由编译器自动触发的，不需要额外去请求模板实例化。

　如果实例化一种型别，而该型别内部并不支持函数所使用的操作，那么就会导致一个编译错误。

　例如：std::complex并没有重载“>”，也就是说该型别并不支持使用“>”比较大小，而Max函数使用“>”来判断c1、c2的大小，所以无法通过Max(complex1, complex2)得到预期的结果。

　结论: 模板被编译了两次
　　1)没有实例化之前，检查模板代码本身是否有语法错误。
　　2)实例化期间, 检查对模板代码的调用是否合法。

7.参数推导

　　模板参数是有传递给模板函数的实参决定的不允许自动型别转换:每个T必须严格匹配!

Max(1, 2) // OK:两个实参的型别都是 int
Max(1, 2.0) // ERROR:第一个参数型别是 int，第二个参数型别是 double

　　一般有两种处理这种错误的方法:

　　　　1) 用 static_cast或强制转换参数型别以使两者匹配。
　　　　2) 显式指定T的型别。

Max(static_cast<double>(1), 2.0)
Max<double>(1, 2.0)

8.函数模版重载

　　（1）重载：函数模板也可以像普通函数一样被重载
　　（2）同名：非模板函数可以和同名的模板函数共存
　　（3）参数推导：编译器通过函数模板参数推导来决定使用调用哪个重载

// 普通函数
inline int const& Max(const int const& a, const int const& b) // 第一个

template <typename T>
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b) // 第二个

template <typename T>
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b, const T const& c) // 第三个

　　Max(7, 42, 68): 调用接受三个参数的模板 // 调用 第三个
　　Max(7.0, 42.0): 调用 Max<double>(参数推导) // 调用 第二个
　　Max('a', 'b'): 调用 Max<char>(参数推导) // 调用 第二个
　　Max(7, 42): 调用非模板函数，参数型别为 int // 调用 第一个 其他因素都相同的情况下,重载裁决过程调用非模板函数，而不是从模板产生实例
　　Max<>(7, 42): 调用 Max< int>(参数推导) // 调用 第二个 允许空模板参数列表
　　Max<double>(7, 42): 调用 Max<double>(无需参数推导) // 调用 第二个
　　Max('a', 42.7): 调用非模板函数，参数型别为 int // 调用 第一个 对于型别不同的参数只能调用非模板函数( char 型别 'a' 和 double 型别 42.7 都将转化为 int 型别)

　　总结
　　　　对于不同的实参型别，模板函数定义了一族函数
　　　　当传递模板实参的时候，函数模板依据实参的型别进行实例化
　　　　可以显式指定模板的实参型别
　　　　函数模板可以重载
　　　　当重载函数模板时, 将改变限制在：显式指定模板参数
　　　　所有的重载版本的声明必须位于它们被调用的位置之前

三，类模版

　　1.1与函数模版类似，类也可以通过函数参数泛化，从而可以构建出一族不同型别的类实例（对象）。

　 1.2 类模版实参可以是某一型别或常量（仅限int或enum）。

　　2. 类模版实例

const std::size_t DefaultStackSize = 1024;
template<typename T, std::size_t n = DefaultStackSize>
class Stack
{
public:
void Push(const T const& element);
int Pop(T& element);
int Top(T& element) const;
private:
std::vector<T> m_Members;
std::size_t m_nMaxSize = n;
};

　　n是编译时定义的常量，n可以有默认值。

　　3.类模板的声明

　　除了 Copy constructor 之外，如果在类模版中需要使用到这个类本身，比如 operator= ，那么应该使用其完整的定义（Stack<T>），而不是省略型别 T 。如下面的例子所示：　

template <typename T, std::size_t n>
class Stack
{
public:
Stack(Stack<T, n> const&); // copy constructor
Stack<T>& operator= (Stack<T, n> const&); //assignment operator
};

　4. 类模板的实现

　　要定义一个类模板的成员函数，则要指明其是一个模版函数。

　4.1 例如，Push 函数的定义应当如下：

template <typename T, std::size_t nMaxSize>
void Stack<T, nMaxSize>::Push(const T const& element)
{
if (m_Members.size() >= m_nMaxSize)
{
//error handing ...
return;
}

m_Members.push_back(element);
}

　4.2 Pop 函数：从 Stack 中弹出顶部元素，但是没有 pop 出该元素：

template <typename T, std::size_t nMaxSize>
int Stack<T, nMaxSize>::Top(T& element) const
{
if (m_Members.empty())
return 0;

element = m_Members.back();
return 1;
}