C++模板

模板入门

• • 什么时候使用模板
  • 如何创建模板
  • 当实例化模板时会发生什么？
  • 当使用相同类型实例化模板多次时，会发生什么？
  • • 延迟实例化

模板（类模板或函数模板）和类或函数很相似。

当你实例化一个模板，你就创建了一个具体的类或函数。

出于习惯，有时也将类模板称为泛型类，将函数模板成为泛型函数。

为了可视化模板实例化的过程，可以使用C++ Insights。

什么时候使用模板

你应该使用模板当函数或类代表了一个抽象的概念，并且不局限于某个特定的类型。

例如：函数max，容器vector都能用于多种类型。

如何创建模板

假如有如下函数：

int max(int lhs, int rhs) {
    return (lhs > rhs)? lhs : rhs;
}

将其变为一个模板很简单：

1. 在函数前面加上template
2. 使用参数T替换具体的类型int。
   

   
   

template    // typename 也可以使用 class 代替
T max(T lhs, T rhs) {   
    return (lhs > rhs)? lhs : rhs;
}

当实例化模板时会发生什么？

使用int和double实例化函数模板max:

template 
T max(T lhs, T rhs) {
    return (lhs > rhs)? lhs : rhs;
}

int main() {
    max(10, 5);
    max(10.5, 5.5);
}

C++ Insights显示了模板实例化的具体过程：

template 
T max(T lhs, T rhs) {
    return (lhs > rhs)? lhs : rhs;
}

/* First instantiated from: insights.cpp:8 */
#ifdef INSIGHTS_USE_TEMPLATE
template<>
int max(int lhs, int rhs)
{
  return (lhs > rhs) ? lhs : rhs;
}
#endif


/* First instantiated from: insights.cpp:9 */
#ifdef INSIGHTS_USE_TEMPLATE
template<>
double max(double lhs, double rhs)
{
  return (lhs > rhs) ? lhs : rhs;
}
#endif


int main()
{
  max(10, 5);
  max(10.5, 5.5);
  return 0;
}

可以看到编译器分别为int和double生成了特化的函数。

当使用相同类型实例化模板多次时，会发生什么？

下面是一个类模板的例子。

template 
class Array{
 public:
    int getSize() const{
        return N;
    }
 private:
    T elem[N];
};

int main() {
  
    Array myArr1;  // (1)
    Array myArr2; // (2)
    Array myArr3;  // (3)
  
}

Array实例化了2次，Array (line 2)实例化了一次。

C++ Insights的主要输出如下：

template 
class Array{
 public:
    int getSize() const{
        return N;
    }
 private:
    T elem[N];
};

/* First instantiated from: insights.cpp:13 */
#ifdef INSIGHTS_USE_TEMPLATE
template<>
class Array
{
  
  public: 
  inline int getSize() const;
  
  
  private: 
  int elem[5];
  public: 
  // inline Array() noexcept = default;
};

#endif


/* First instantiated from: insights.cpp:14 */
#ifdef INSIGHTS_USE_TEMPLATE
template<>
class Array
{
  
  public: 
  inline int getSize() const;
  
  
  private: 
  int elem[10];
  public: 
  // inline Array() noexcept = default;
};

#endif

可以看到，第二次实例化（3）Array使用了第一次实例化的代码。

有2个有趣的发现：1. 模板实例化是延迟（lazy）的； 2. 可以使用非类型作为模板参数。

延迟实例化

从上面输出可以看到成员函数getSize()没有实例化，仅有声明。

这个意味着如果没有使用将不会被实例化。

修改代码如下：

int main() {
  
    Array myArr1;  
    Array myArr2; 
    Array myArr3;  
    myArr3.getSize();     // (1)
  
}

编译器将会生成getSize的代码：

...
/* First instantiated from: insights.cpp:13 */
#ifdef INSIGHTS_USE_TEMPLATE
template<>
class Array
{
  
  public: 
  inline int getSize() const
  {
    return 5;
  }
  
  
  private: 
  int elem[5];
  public: 
  // inline Array() noexcept = default;
};

#endif
...