【C++】 57_深入理解函数模板

函数模板

• 深入理解函数模板

  • 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数

  • 编译器会对函数模板进行两次编译

    • 对模板代码本身进行编译（语法检查等）
    • 对参数替换后的代码进行编译（语法检查等）

---

• 注意事项

  • 函数模板本身不允许隐式类型转换

    • 自动推导类型时，必须严格匹配
    • 显示类型指定时，能够进行隐式类型转换

编程实验： 函数模板的本质

#include <iostream>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
    }
};

template < typename T >
void Swap(T& a, T& b)
{
    T c = a;
    a = b;
    b = c;
}

typedef void(FuncI)(int&, int &);
typedef void(FuncD)(double&, double &);
typedef void(FuncT)(Test&, Test &);

int main()
{
    FuncI* pi = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 int
    FuncD* pd = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 double
    FuncT* pt = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 Test
    
    cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;
    cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;
    cout << "pt = " << reinterpret_cast<void*>(pt) << endl;

    return 0;
}

输出：
pi = 0x80487e4
pd = 0x8048806
pt = 0x8048828

编译器做了什么？
FuncI* pi = Swap;  ==>
编译器自动类型推导 ==> 生成对应的 Swap 函数 ==> 语法检查合法后将 Swap 地址赋值给 pi

关于编译器对函数模板进行的两次编译

第 1 次：对模板代码本身进行的编译检查

#include <iostream>

using namespace std;

template < typename T >
void Swap(T& a, T& b)
{
    T c = a                      // 注意这里！故意制造的语法错误
    a = b;
    b = c;
}

int main()
{
    return 0;
}

输出：【g++】
test.cpp: In function ‘void Swap(T&, T&)’:
test.cpp:9: error: expected ‘,’ or ‘;’ before ‘a’

第 2 次：对参数替换后的代码进行编译检查

#include <iostream>

using namespace std;

class Test
{
private:
    Test(const Test& obj);     // 注意这里！将拷贝构造函数声明为私有
public:
    Test()
    {
    }
};

template < typename T >
void Swap(T& a, T& b)
{
    T c = a;
    a = b;
    b = c;
}

typedef void(FuncT)(Test&, Test &);

int main()
{
    FuncT* pt = Swap;    // 编译器自动推导 T 为 Test

    return 0;
}

输出：【g++】
test.cpp: In function ‘void Swap(T&, T&) [with T = Test]’:
test.cpp:27:   instantiated from here
test.cpp:8: error: ‘Test::Test(const Test&)’ is private
test.cpp:18: error: within this context

分析：
FuncT* pt = Swap; ==>
编译器自动类型推导, T 为Test类型 ==> 生成对应的 Swap 函数 ==> 语法检查拷贝构造函数为私有，给出错误提示

多参数函数模板

• 函数模板可以定义任意多个不同的类型参数

template < typename T1, typename T2, typename T3 >
T1 Add(T2 a, T3 b)
{
    return static_cast<T1>(a + b);
}

==>

int r = Add<int, float, double>(0.5, 0.8);

• 对于多参数函数模板

  • 无法自动推导返回值类型
  • 可以从左向右部分指定参数类型

// T1 = int, T2 = double, T3 = double
int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);
    
// T1 = double, T2 = double, T3 = float
double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);
    
// T1 = float, T2 = float, T3 = float
float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);

工程中将返回值参数作为第一个类型参数

编程实验： 多参数函数模板

#include <iostream>

using namespace std;

template < typename T1, typename T2, typename T3 >
T1 Add(T2 a, T3 b)
{
    return static_cast<T1>(a + b);
}

int main()
{
    // T1 = int, T2 = double, T3 = double
    int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);
    
    // T1 = double, T2 = double, T3 = float
    double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);
    
    // T1 = float, T2 = float, T3 = float
    float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);

    cout << "r1 = " << r1 << endl;
    cout << "r2 = " << r2 << endl;
    cout << "r3 = " << r3 << endl;

    return 0;
}

输出：
r1 = 1
r2 = 1.3
r3 = 1.3

有趣的问题：
当函数重载遇见函数模板会发生什么？

重载函数模板

• 函数模板可以像普通函数一样被重载

  • C++ 编译器优先考虑普通函数
  • 如果函数模板可以产生更好的匹配，那么选择模板
  • 可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板

int r1 = Max(1, 2);
double r2 = Max<>(0.5, 0.8);

实例分析： 重载函数模板

#include <iostream>

using namespace std;

template < typename T >
T Max(T a, T b)
{
    cout << "T Max(T a, T b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

int Max(int a, int b)
{
    cout << "int Max(int a, int b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

template < typename T >
T Max(T a, T b, T c)
{
    cout << "T Max(T a, T b, T c)" << endl;
    
    return Max(Max(a, b), c);
}

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    cout << Max(a, b) << endl;           // 普通函数 Max(int, int)
    
    cout << Max<>(a, b) << endl;         // 函数模板 Max<int>(int, int)
    
    cout << Max(3.0, 4.0) << endl;       // 函数模板 Max<double>(double, double)
    
    cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl;  // 函数模板 Max<double>(double, double, double)
    
    cout << Max('a', 100) << endl;       // 普通函数 Max(int, int)

    return 0;
}

输出：
int Max(int a, int b)
2
T Max(T a, T b)
2
T Max(T a, T b)
4
T Max(T a, T b, T c)
T Max(T a, T b)
T Max(T a, T b)
7
int Max(int a, int b)
100

小提示：
Max('a', 100) 普通函数被调用
函数模板本身不允许隐式类型转换，普通函数被匹配后进行隐式类型转换

小结

• 函数模板通过具体类型产生不同的函数
• 函数模板可以定义任意多个不同的类型参数
• 函数模板中的返回值类型必须显示指定
• 函数模板可以像普通函数一样被重载

以上内容参考狄泰软件学院系列课程，请大家保护原创！