C++中函數(shù)模板如何定義與使用

這篇文章主要介紹“C++中函數(shù)模板如何定義與使用”，在日常操作中，相信很多人在C++中函數(shù)模板如何定義與使用問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”C++中函數(shù)模板如何定義與使用”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

1. 前言

什么是函數(shù)模板？

理解什么是函數(shù)模板，須先搞清楚為什么需要函數(shù)模板。

如果現(xiàn)在有一個需求，要求編寫一個求 2 個數(shù)字中最小數(shù)字的函數(shù)，這 2 個數(shù)字可以是 int類型，可以是 float 類型，可以是所有可以進行比較的數(shù)據(jù)類型

常規(guī)編寫方案：針對不同的數(shù)據(jù)類型編寫不同的函數(shù)。

#include <iostream>
using namespace std;
//針對 int 類型 
int getMin(int num1,int num2) {
   return num1>num2?num2:num1; 
} 
//針對  float 類型
float getMin(float num1,float num2) {
   return num1>num2?num2:num1; 
}
//針對 double 類型 
double getMin(double num1,double num2) {
   return num1>num2?num2:num1; 
}  

int main() {
    //整型數(shù)據(jù)比較
    int min=getMin(10,4);
    cout<<min<<endl;
    //float 類型數(shù)據(jù)比較
    float minf=getMin(3.8f,2.9f);
	cout<<minf<<endl; 
    //double 類型數(shù)據(jù)比較
	double mind=getMin(1.8,2.1);
	cout<<mind<<endl; 
	return 0;
}

重載函數(shù)（當(dāng)然上述幾個函數(shù)名也可以不相同）可以解決這個問題。顯然，上述 3 個函數(shù)的算法邏輯是一模一樣的，僅是函數(shù)的參數(shù)類型不一樣。既然函數(shù)的形式參數(shù)可以接受值不同的同類型數(shù)據(jù)，能否把函數(shù)形參的數(shù)據(jù)類型也參數(shù)化，用來接受不同的數(shù)據(jù)類型。

函數(shù)模板實質(zhì)就是參數(shù)化數(shù)據(jù)類型，稱這種編程模式為數(shù)據(jù)類型泛化編程。

Tips： 泛化的意思是一般化、抽象化，先不明確指定，需要時再指定。

如：我對班長說，我需要一名學(xué)生幫我搬課桌。這名學(xué)生到底是誰，我沒有明確，由班長具體化。換在函數(shù)模板中，表示函數(shù)模板需要一種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，具體是什么數(shù)據(jù)類型，由使用者決定。

2. 初識函數(shù)模板

2.1 語法

在重構(gòu)上述代碼時，先了解一下函數(shù)模板的語法結(jié)構(gòu)：

template <模板形式參數(shù)列表>  返回類型 函數(shù)名（函數(shù)形式參數(shù)列表）
{
函數(shù)體
}

語法結(jié)構(gòu)說明：

1.template關(guān)鍵字說明了此函數(shù)是一個函數(shù)模板。

2.template <>的尖括號里是模板參數(shù)列表，也可稱此處的參數(shù)為數(shù)據(jù)類型參數(shù)，用來對函數(shù)算法所針對的數(shù)據(jù)類型的泛化，表示可以接受不同的數(shù)據(jù)類型。

Tips：模板參數(shù)列表中的參數(shù)可以是一個或多個泛化數(shù)據(jù)類型參數(shù)，也可以是一個或多個具體數(shù)據(jù)類型參數(shù)。

泛化類型參數(shù)前面要加上 typename 關(guān)鍵字。

3.后面便是函數(shù)的一般性說明，只是在函數(shù)中可以使用模板數(shù)據(jù)類型參數(shù)。

Tips： 函數(shù)模板中有 2 類參數(shù)，模板參數(shù)和函數(shù)參數(shù)。

使用函數(shù)模板重構(gòu)上面求最小值的代碼：

template<typename T> T getMin(T num1,T num2){
	return num1>num2?num2:num1; 
}

說明：

1.typename T聲明了一個數(shù)據(jù)類型參數(shù)，用于泛化任一種數(shù)據(jù)類型，或者說 T可以表示任意一種數(shù)據(jù)類型。

Tips：typename 是 C++11 標(biāo)準(zhǔn)，也可以使用 class關(guān)鍵字，但建議不用，避免和類定義混淆。

2.T數(shù)據(jù)類型可以作為函數(shù)的參數(shù)類型、返回值類型、以及作為算法實施過程中臨時變量的數(shù)據(jù)類型。

Tips： T是一個變量標(biāo)識符，在遵循變量命名規(guī)則的前提下，可以起任意名稱。

2.2 實例化

函數(shù)模板如現(xiàn)實生活中制作陶瓷的模具一樣，只有往模具中注入原材料，才能生成可實用的陶瓷。函數(shù)模板不是函數(shù)，僅是一個模板，不能直接調(diào)用，需要實例化后才能調(diào)用。

實例化：指編譯器根據(jù)開發(fā)者對函數(shù)模板注入的具體（實參）數(shù)據(jù)類型構(gòu)造出一個真正的函數(shù)實體（實例），這個過程由編譯器自動完成，且實例化的函數(shù)對于開發(fā)者不可見。

int res= getMin<int>(1,6);
cout<<res<<endl;
//輸出結(jié)果：1

如上，編譯器通過函數(shù)模板<>內(nèi)的int數(shù)據(jù)類型，實例化的函數(shù)可以對 int類型的數(shù)據(jù)進行算法操作。同理，下面的代碼會讓編譯器實例化針對不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)進行算法操作的函數(shù)。

//實例化原型為 float  getMin(float num1,float num2){函數(shù)體} 的函數(shù)
float resf=getMin<float>(3.2f,8.2f);
cout<<resf<<endl;
//實例化原型為 double  getMin(double num1,double num2){函數(shù)體} 的函數(shù)
double resd=getMin<double>(1.2,0.2);
cout<<resd<<endl;
//實例化原型為 char  getMin(char num1,char num2){函數(shù)體} 的函數(shù)
char resc=getMin<char>('A','B');
cout<<resc<<endl;
//輸出結(jié)果分別為  3.2f  0.2  A

使用函數(shù)模板的優(yōu)點不言而喻，聲明一次，便可以實現(xiàn)針對不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)的操作。當(dāng)然，中間會有匹配、實例化的代價。

Tips：高級業(yè)務(wù)層面的一勞永逸往往會以犧牲底層的性能為代價，但是，這是值得的。

除了通過顯示聲明數(shù)據(jù)類型提示編譯器實例化，也可以使用函數(shù)指針實例化。

typedef int(*PF)(int,int); // 1 
PF pf=getMin;  // 2
int res= pf(6,8);  //3
cout<<res;  //4

說明：

1 處先定義一個函數(shù)指針類型。

2 處這行代碼，千萬不要理解是取函數(shù)模板的地址，編譯器在底層做了相應(yīng)處理。

編譯器會根據(jù)函數(shù)指針類型說明先實例化一個函數(shù)。

再取實例化函數(shù)的內(nèi)存地址，并賦值給 pf。

3 處以函數(shù)指針方式調(diào)用函數(shù)。

實例化時要注意的幾個問題：

1.實例化時，可能會有一個直觀問題：真的能指定任意一種數(shù)據(jù)類型實例化函數(shù)模板嗎？

答案是：任何高級層面的邏輯行為都不能脫離基礎(chǔ)知識的認知范疇，不同的數(shù)據(jù)類型有著語法系統(tǒng)賦予它的運算操作能力，當(dāng)指定一個不支持函數(shù)模板內(nèi)部算法操作的數(shù)據(jù)類型時，必然會出錯。

如聲明一個求 2 個數(shù)字相除的余數(shù)的函數(shù)模板。

template<typename T> T getYuShu(T num1,T num2) {
	return num1 % num2;
}

如果指定 double 數(shù)據(jù)類型實例化 getYuShu 函數(shù)模板時，就會拋出錯誤，因為 double數(shù)據(jù)類型不能使用 %運算符。

double res=getYuShu<double>(6.2,2.4);  //出錯

Tips： 編譯器在實例化函數(shù)模板時，會遵循語法標(biāo)準(zhǔn)檢查給定的數(shù)據(jù)類型是否支持函數(shù)模板中的運算操作。

2.編譯器實例化的時機。

常規(guī)而言，編譯器會在程序中第一次需要函數(shù)模板的某個實例時對其進行編譯。但是，同一份代碼中，可能會出現(xiàn)對同一個實例多次調(diào)用的需要，如下面的代碼：

template <typename T > test(T num) {
	return num;
}
int f() {
	int res= test<int>(12);
	return res;
}
double f1() {
	int res= test<int>(24);
	return double(res);
}

f和f1函數(shù)都需要使用 test<int>實例，于編譯器而，無法知道 f和f1函數(shù)誰先會被調(diào)用（也就無法確定第一次編譯的時間點），但為了保證編譯期間完成實例化工作，早期C++編譯器采用對同一實例每一次出現(xiàn)的地方都編譯的策略，然后從多個編譯結(jié)果中選一個作為最終結(jié)果，顯然，編譯時間會大大延長。

C++充許顯式實例化聲明，用來顯示指定某一個函數(shù)模板的實例化的時間點，從而解決同一個實例被多次編譯的問題。其語法如下：

template 返回值類型 模板名<模板參數(shù)列表>(函數(shù)形參列表);

針對上述函數(shù)模板可以編寫如下代碼，告之編譯器編譯時間點。

template <typename T > test(T num) {
	return num;
}
//顯示指定實例化
template int test<int>(int);

Tips： 顯示聲明只對一個源文件有效。

2.3 實參推導(dǎo)

所謂實參推導(dǎo)，在使用函數(shù)模板時省略<>，不明確指定數(shù)據(jù)類型參數(shù)，而是由編譯器根據(jù)函數(shù)的實參類型自動推導(dǎo)出類型參數(shù)的真正類型。如下代碼：

int res=getMin(4,7);

實參是int 類型， 編譯器由此推導(dǎo)出 T 是 int類型，從而使用 int類型實例化函數(shù)模板，類似于下面的顯示聲明代碼：

int res=getMin<int>(4,7);

實參推導(dǎo)可以像調(diào)用普通函數(shù)一樣使用函數(shù)模板。但是實參推導(dǎo)是有前提條件的：函數(shù)參數(shù)使用了類型參數(shù)的才能通過函數(shù)實參類型推導(dǎo)。如下的函數(shù)模板。

template <typename T1,typename T2> T2 myMax(T1 num1,T1 num2) {
	//函數(shù)體
}

因為 T2是作為函數(shù)模板的返回類型，是無法通過實參類型推導(dǎo)出來的。如下圖所示：

使用如上函數(shù)模板，需要顯示指定具體的數(shù)據(jù)類型。

double res= myMax<int,double>(6,8); //正確

是否可以讓函數(shù)模板的類型參數(shù)一部分顯示指定，一部分由實參推導(dǎo)？

答案是可以，但是，要求在聲明函數(shù)模板時，把需要顯示指定的類型參數(shù)放在前面，可由實參推導(dǎo)的參數(shù)類型放在后面。把上面的函數(shù)模板的 T1、T2參數(shù)說明交換位置。

template <typename T2,typename T1> T2 myMax(T1 num1,T1 num2) {
	//函數(shù)體
}

實例化時，只需要顯示指定 T2的類型，T1類型由編譯器根據(jù)實參推導(dǎo)。如下代碼可正確調(diào)用。

double res= myMax<double>(6,8); //正確

編譯器把 T2指定為 double類型，然后根據(jù)實參6和8推導(dǎo)出 T1是 int類型。

了解什么是實參推導(dǎo)后，使用時，需要知道實參推導(dǎo)是不支持自動類型轉(zhuǎn)換的。如下代碼是錯誤的。

int res=getMin(4,7.5); //錯誤

編譯器認定實參 4是int類型，實參7.5是 double類型，那么是到底是使用 int 類型還是使用 double類型實例化 getMin 函數(shù)模板，會讓編譯器不知所措、左右為難。

Tips： 即使支持自動類型轉(zhuǎn)換，于編譯器而言也無法知道開發(fā)者是想使用 int 類型還是 double 類型。如此自動類型轉(zhuǎn)換沒有存在的意義。

對于上述問題可以采用如下幾種方案解決：

1.通過強制類型操作把實參轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型。

int res=getMin(4,int(7.5));
//或者
int res=getMin(double(4),7.5);

2.顯示指定實例化時的數(shù)據(jù)類型。

int res=getMin<int>(4,7.5);
//或者
int res=getMin<double>(4,7.5);

3.如果有必要傳遞 2 個不同類型的參數(shù)，可需要修改函數(shù)模板，使其能接受 2 種類型參數(shù)。

template<typename T1,typename T2> T1 getMin(T1 num1,T2 num2){
	return num1>num2?num2:num1; 
}

3. 重載函數(shù)模板

C++中普通函數(shù)和函數(shù)模板可以一起重載，面對多個重載函數(shù)，編譯器需要提供相應(yīng)的匹配策略。如下代碼：

//普通函數(shù)
int getMax(int num1,int num2){
	return num1>num2?num1:num2; 
} 
//函數(shù)模板
template<typename T> T getMax(T num1,T num2) {
	return num1>num2?num1:num2;
}

如下調(diào)用時，編譯器是選擇普通函數(shù)還是函數(shù)模板？

int res= getMax(6,8);

函數(shù)實參是 int類型，相比較函數(shù)模板，普通函數(shù)不需要實例化可直接使用，編譯器會優(yōu)先選擇普通函數(shù)。但是如下的調(diào)用，編譯器會選擇函數(shù)模板。

getMax(2.4,6.8); //調(diào)用 getMax<double>(實參推導(dǎo))
getMax('a','b'); //調(diào)用 getMax<char>(實參推導(dǎo))
getMax<>(7,3) //調(diào)用 getMax<int> (實參推導(dǎo))
getMax<double>(4,9) //顯示指定

編譯器選擇函數(shù)模板的原則：

如果函數(shù)模板能實例出一個完全與函數(shù)實參類型相匹配的函數(shù)，那么就會選擇函數(shù)模板，如getMax(2.4,6.8); 調(diào)用。編譯器會根據(jù)函數(shù)模板實例化一個double getMax(double a,double b)函數(shù)與需求完全相匹配的函數(shù)。

如果即想使用實參推導(dǎo)，且想使用函數(shù)模板而非普通函數(shù)，可以使用空 <>尖括號語法。如上的 getMax<>(7,7);調(diào)用。一旦指定<>標(biāo)識符，顯示指定使用函數(shù)模板，無論其中是否有實參類型說明。

如下的函數(shù)調(diào)用，實參有 2 個，但 2者之間可以發(fā)生自動類型轉(zhuǎn)換。

char和int之間可以相互轉(zhuǎn)換。

getMax('a',98);

編譯器會選擇誰？可以做一個實驗，把普通函數(shù)注釋，保留函數(shù)模板。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
//函數(shù)模板
template<typename T> T getMax(T num1,T num2) {
	return num1>num2?num1:num2;
}
int main(int argc, char** argv) {
    int t= getMax('a',98)
	return 0;
}

執(zhí)行后：

再恢復(fù)普通函數(shù)后執(zhí)行，代碼可以正常執(zhí)行。顯然，編譯器選擇的是普通函數(shù)。原因很簡單，在使用實參推導(dǎo)時，函數(shù)模板是不支持自動類型轉(zhuǎn)換，而普通函數(shù)表示沒有壓力。

到此，關(guān)于“C++中函數(shù)模板如何定義與使用”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>