15-函数模板

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8.5　函数模板

现在的C++编译器实现了C++新增的一项特性——函数模板。函数模板是通用的函数描述，也就是说，它们使用泛型来定义函数，其中的泛型可用具体的类型（如int或double）替换。通过将类型作为参数传递给模板，可使编译器生成该类型的函数。由于模板允许以泛型（而不是具体类型）的方式编写程序，因此有时也被称为通用编程。由于类型是用参数表示的，因此模板特性有时也被称为参数化类型（parameterized types）。下面介绍为何需要这种特性以及其工作原理。

在前面的程序清单8.4中，定义了一个交换两个int值的函数。假设要交换两个double值，则一种方法是复制原来的代码，并用double替换所有的int。如果需要交换两个char值，可以再次使用同样的技术。进行这种修改将浪费宝贵的时间，且容易出错。如果进行手工修改，则可能会漏掉一个int。如果进行全局查找和替换（如用double替换int）时，可能将：

int x;
short interval;

转换为：

double x;          // intended change of type
short doubleerval; // unintended change of variable name

C++的函数模板功能能自动完成这一过程，可以节省时间，而且更可靠。

函数模板允许以任意类型的方式来定义函数。例如，可以这样建立一个交换模板：

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

第一行指出，要建立一个模板，并将类型命名为AnyType。关键字template和typename是必需的，除非可以使用关键字class代替typename。另外，必须使用尖括号。类型名可以任意选择（这里为AnyType），只要遵守C++命名规则即可；许多程序员都使用简单的名称，如T。余下的代码描述了交换两个AnyType值的算法。模板并不创建任何函数，而只是告诉编译器如何定义函数。需要交换int的函数时，编译器将按模板模式创建这样的函数，并用int代替AnyType。同样，需要交换double的函数时，编译器将按模板模式创建这样的函数，并用double代替AnyType。

在标准C++98添加关键字typename之前，C++使用关键字class来创建模板。也就是说，可以这样编写模板定义：

template <class AnyType>
void Swap(AnyType &a, AnyType &b)
{
    AnyType temp;
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

typename关键字使得参数AnyType表示类型这一点更为明显；然而，有大量代码库是使用关键字class开发的。在这种上下文中，这两个关键字是等价的。本书使用了这两种形式，旨在让您在其他地方遇到它们时不会感到陌生。

提示： 如果需要多个将同一种算法用于不同类型的函数，请使用模板。如果不考虑向后兼容的问题，并愿意键入较长的单词，则声明类型参数时，应使用关键字typename而不使用class。

要让编译器知道程序需要一个特定形式的交换函数，只需在程序中使用Swap()函数即可。编译器将检查所使用的参数类型，并生成相应的函数。程序清单8.11演示为何可以这样做。该程序的布局和使用常规函数时相同，在文件的开始位置提供模板函数的原型，并在main()后面提供模板函数的定义。这个示例采用了更常见的做法，即将T而不是AnyType用作类型参数。

程序清单8.11　funtemp.cpp

// funtemp.cpp -- using a function template
#include <iostream>
// function template prototype
template <typename T> // or class T
void Swap(T &a, T &b);
int main()
{
    using namespace std;
    int i = 10;
    int j = 20;
    cout << "i, j = " << i << ", " << j << ".\n";
    cout << "Using compiler-generated int swapper:\n";
    Swap(i,j); // generates void Swap(int &, int &)
    cout << "Now i, j = " << i << ", " << j << ".\n";
    double x = 24.5;
    double y = 81.7;
    cout << "x, y = " << x << ", " << y << ".\n";
    cout << "Using compiler-generated double swapper:\n";
    Swap(x,y); // generates void Swap(double &, double &)
    cout << "Now x, y = " << x << ", " << y << ".\n";
    // cin.get();
    return 0;
}
// function template definition
template <typename T> // or class T
void Swap(T &a, T &b)
{
    T temp; // temp a variable of type T
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

程序清单8.11中的第一个Swap()函数接受两个int参数，因此编译器生成该函数的int版本。也就是说，用int替换所有的T，生成下面这样的定义：

void Swap(int &a, int &b)
{
    int temp;
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

程序员看不到这些代码，但编译器确实生成并在程序中使用了它们。第二个Swap()函数接受两个double参数，因此编译器将生成double版本。也就是说，用double替换T，生成下述代码：

void Swap(double &a, double &b)
{
    double temp;
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

下面是程序清单8.11中程序的输出，从中可知，这种处理方式是可行的：

i, j = 10, 20.
Using compiler-generated int swapper:
Now i, j = 20, 10.
x, y = 24.5, 81.7.
Using compiler-generated double swapper:
Now x, y = 81.7, 24.5.

注意，函数模板不能缩短可执行程序。对于程序清单8.11，最终仍将由两个独立的函数定义，就像以手工方式定义了这些函数一样。最终的代码不包含任何模板，而只包含了为程序生成的实际函数。使用模板的好处是，它使生成多个函数定义更简单、更可靠。

更常见的情形是，将模板放在头文件中，并在需要使用模板的文件中包含头文件。头文件将在第9章讨论。

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