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C++ 函数模板

什么是函数模板?

函数模板是C++中的一项强大特性,它允许我们编写一个通用函数,可以处理不同数据类型的参数,而无需为每种数据类型重新编写函数。函数模板通过泛型编程的方式,大大提高了代码的复用性和可维护性。

备注

函数模板不是实际的函数,而是生成函数的"蓝图"。当我们调用函数模板时,编译器会根据我们提供的参数类型,实例化出具体的函数。

函数模板的基本语法

函数模板的基本语法如下:

cpp
template <typename T>
返回类型 函数名(参数列表) {
// 函数体
}

这里的T是一个类型参数,代表一个未知的数据类型。typename关键字表示T是一个类型。在较早的C++标准中,也可以使用class关键字代替typename

一个简单的函数模板示例

让我们从一个最基础的例子开始,创建一个可以交换任意类型两个变量值的函数模板:

cpp
#include <iostream>

// 定义一个函数模板
template <typename T>
void swap_values(T& a, T& b) {
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}

int main() {
// 交换整数
int a = 5, b = 10;
std::cout << "整数交换前: a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
swap_values(a, b);
std::cout << "整数交换后: a = " << a << ", b = " << b << std::endl;

// 交换浮点数
double c = 3.14, d = 2.71;
std::cout << "浮点数交换前: c = " << c << ", d = " << d << std::endl;
swap_values(c, d);
std::cout << "浮点数交换后: c = " << c << ", d = " << d << std::endl;

// 交换字符
char e = 'A', f = 'B';
std::cout << "字符交换前: e = " << e << ", f = " << f << std::endl;
swap_values(e, f);
std::cout << "字符交换后: e = " << e << ", f = " << f << std::endl;

return 0;
}

输出:

整数交换前: a = 5, b = 10
整数交换后: a = 10, b = 5
浮点数交换前: c = 3.14, d = 2.71
浮点数交换后: c = 2.71, d = 3.14
字符交换前: e = A, f = B
字符交换后: e = B, f = A

在上面的例子中,我们定义了一个名为swap_values的函数模板。通过使用模板参数T,这个函数可以交换任何类型的两个变量值,只要该类型支持赋值操作。

模板参数推导

当我们调用函数模板时,编译器会根据传入的参数类型自动推导模板参数的实际类型。这一过程称为模板参数推导

例如,在调用swap_values(a, b)时,由于ab的类型是int,编译器会推导出Tint,然后实例化一个swap_values<int>函数。

提示

在大多数情况下,我们不需要显式指定模板参数的类型,让编译器自动推导即可。但有时候为了避免歧义或者需要特定类型转换时,我们也可以显式指定模板参数类型,例如:swap_values<double>(a, b)

多个模板参数

函数模板可以拥有多个模板参数,这使得它可以处理更复杂的情况:

cpp
#include <iostream>

// 多个模板参数的函数模板
template <typename T1, typename T2>
void print_pair(const T1& a, const T2& b) {
std::cout << "(" << a << ", " << b << ")" << std::endl;
}

int main() {
print_pair(10, 3.14); // T1=int, T2=double
print_pair("Hello", 'W'); // T1=const char*, T2=char
print_pair(true, 42); // T1=bool, T2=int

return 0;
}

输出:

(10, 3.14)
(Hello, W)
(1, 42)

非类型模板参数

除了类型参数外,函数模板还可以有非类型参数,如整数、指针等:

cpp
#include <iostream>
#include <array>

// 带有非类型模板参数的函数模板
template <typename T, size_t N>
void print_array(const std::array<T, N>& arr) {
std::cout << "数组元素: ";
for (size_t i = 0; i < N; ++i) {
std::cout << arr[i];
if (i < N - 1) std::cout << ", ";
}
std::cout << std::endl;
}

int main() {
std::array<int, 5> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
std::array<char, 3> letters = {'A', 'B', 'C'};

print_array(numbers); // T=int, N=5
print_array(letters); // T=char, N=3

return 0;
}

输出:

数组元素: 1, 2, 3, 4, 5
数组元素: A, B, C

函数模板特化

有时候,我们希望对特定类型提供特殊处理,这时可以使用函数模板特化:

cpp
#include <iostream>
#include <string>

// 主模板
template <typename T>
T max_value(T a, T b) {
std::cout << "通用模板" << std::endl;
return (a > b) ? a : b;
}

// 特化版本:针对const char*类型
template <>
const char* max_value<const char*>(const char* a, const char* b) {
std::cout << "const char*特化版本" << std::endl;
return (strcmp(a, b) > 0) ? a : b;
}

int main() {
std::cout << "整数比较: " << max_value(10, 20) << std::endl;
std::cout << "浮点数比较: " << max_value(3.14, 2.71) << std::endl;
std::cout << "字符串比较: " << max_value("apple", "banana") << std::endl;

return 0;
}

输出:

通用模板
整数比较: 20
通用模板
浮点数比较: 3.14
const char*特化版本
字符串比较: banana

在上面的例子中,我们为const char*类型提供了一个特化版本,它使用strcmp函数进行字符串比较,而不是直接比较指针地址。

实际应用案例:排序算法

函数模板在实际开发中有着广泛的应用。以下是一个使用函数模板实现冒泡排序的例子:

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

// 冒泡排序函数模板
template <typename T>
void bubble_sort(std::vector<T>& arr) {
int n = arr.size();
for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {
for (int j = 0; j < n - i - 1; ++j) {
if (arr[j] > arr[j + 1]) {
// 交换元素
T temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
}

// 打印向量的函数模板
template <typename T>
void print_vector(const std::vector<T>& vec) {
for (const auto& item : vec) {
std::cout << item << " ";
}
std::cout << std::endl;
}

int main() {
// 整数排序
std::vector<int> numbers = {5, 2, 9, 1, 7, 6};
std::cout << "整数排序前: ";
print_vector(numbers);
bubble_sort(numbers);
std::cout << "整数排序后: ";
print_vector(numbers);

// 浮点数排序
std::vector<double> decimals = {3.14, 1.41, 2.71, 1.73};
std::cout << "浮点数排序前: ";
print_vector(decimals);
bubble_sort(decimals);
std::cout << "浮点数排序后: ";
print_vector(decimals);

// 字符串排序
std::vector<std::string> words = {"banana", "apple", "cherry", "date"};
std::cout << "字符串排序前: ";
print_vector(words);
bubble_sort(words);
std::cout << "字符串排序后: ";
print_vector(words);

return 0;
}

输出:

整数排序前: 5 2 9 1 7 6 
整数排序后: 1 2 5 6 7 9
浮点数排序前: 3.14 1.41 2.71 1.73
浮点数排序后: 1.41 1.73 2.71 3.14
字符串排序前: banana apple cherry date
字符串排序后: apple banana cherry date

在这个例子中,我们使用函数模板实现了一个通用的冒泡排序算法,可以对各种类型的数据进行排序,只要该类型支持比较运算符>

函数模板与函数重载的区别

函数模板和函数重载都可以创建具有相同名称的多个函数,但它们有本质上的区别:

  1. 函数重载:根据参数的类型和数量来区分多个函数。每个重载函数都是单独编写的,有自己的实现。
  2. 函数模板:只编写一次,然后编译器会根据调用时的参数类型自动生成相应的函数代码。
cpp
#include <iostream>

// 函数重载示例
int add(int a, int b) {
std::cout << "调用int版本" << std::endl;
return a + b;
}

double add(double a, double b) {
std::cout << "调用double版本" << std::endl;
return a + b;
}

// 函数模板示例
template <typename T>
T multiply(T a, T b) {
std::cout << "调用模板版本" << std::endl;
return a * b;
}

int main() {
// 函数重载
std::cout << add(3, 4) << std::endl; // 调用int版本
std::cout << add(2.5, 3.5) << std::endl; // 调用double版本

// 函数模板
std::cout << multiply(3, 4) << std::endl; // 实例化为multiply<int>
std::cout << multiply(2.5, 3.5) << std::endl; // 实例化为multiply<double>

return 0;
}

输出:

调用int版本
7
调用double版本
6
调用模板版本
12
调用模板版本
8.75

函数模板的局限性

尽管函数模板非常强大,但它也有一些局限性:

  1. 类型约束:函数模板假设所有类型都支持它所使用的操作(如比较、赋值等)。如果传入的类型不支持这些操作,编译会失败。

  2. 调试困难:模板代码的错误消息往往很复杂,难以理解,特别是当模板嵌套或涉及复杂类型推导时。

  3. 代码膨胀:每个不同类型的模板实例化都会生成一份新代码,可能导致可执行文件大小增加。

C++ 17中的模板参数推导指南

在C++17中,新增了模板参数推导指南功能,可以更灵活地控制模板参数的推导:

cpp
#include <iostream>

// 定义一个持有数据的简单容器模板
template <typename T>
struct Container {
T value;

Container(T val) : value(val) {}
};

// C++17之前,需要显式指定模板参数
// Container<int> c1(42);

int main() {
// C++17中,可以自动推导
Container c1(42); // 推导为Container<int>
Container c2(3.14); // 推导为Container<double>

std::cout << "c1.value = " << c1.value << std::endl;
std::cout << "c2.value = " << c2.value << std::endl;

return 0;
}

输出:

c1.value = 42
c2.value = 3.14

总结

函数模板是C++中实现泛型编程的核心机制之一,它允许我们编写一次代码,处理多种类型的数据。通过函数模板,我们可以:

  • 创建类型无关的通用算法
  • 减少代码重复
  • 提高代码的可维护性和复用性
  • 实现类型安全的泛型编程

掌握函数模板是成为高级C++程序员的重要一步,也是理解STL(标准模板库)的基础。

练习

  1. 编写一个函数模板,计算任意类型数组的平均值。
  2. 创建一个函数模板,可以找出任何类型数组中的最大值和最小值。
  3. 实现一个函数模板,可以将任意类型的向量进行逆序排列。
  4. 编写一个函数模板,检查一个容器中是否包含特定元素。
  5. 实现一个函数模板,合并两个相同类型的有序数组或向量,保持结果有序。

进一步学习资源

  • 探索C++标准库中的算法,了解函数模板在实际库中的应用
  • 学习C++类模板,它是函数模板的扩展,可以创建通用的类
  • 深入研究模板元编程技术,探索模板在编译期计算的能力
  • 了解C++20中的概念(Concepts)特性,它为模板参数提供了约束机制