C++泛型編程

1. 基本概念

1.1 泛型編程（Generic Programming）

泛型編程是C++中一種重要的編程范式，它通過 參數化類型 來實現代碼的通用性和復用性。

1.2 模板（Templates）

模板 是泛型編程的基礎，允許編寫與數據類型無關的代碼。

模板分類：

• 函數模板：參數化函數的參數類型。

• 類模板：參數化類的成員類型。

• 使用 template 關鍵字聲明模板，typename 或 class 聲明模板類型，代表一個占位符類型，將在實例化時被具體類型替換。

template<typename T1 , typename T2 , ...>

2. 函數模板

2.1 函數模板語法

template<typename T>
void function( T arg1, T arg2 ) {// ...
}

2.2 函數模板的實例化

函數模板的實例化分為隱式實例化和顯示實例化。

• 隱式實例化：編譯器根據形參推演模板參數的實際類型。

• 顯示實例化：在函數名后<>中指定模板參數的實際類型。

template<typename T>
T add(const T& x , const T& y) {return x + y;
}int main () {add(10 , 20);        // 隱式實例化 T為intadd(1.1 , 2.2);      // 隱式實例化 T為double// add(10 , 1.1);    // 編譯不通過，因為無法確定T為 int 還是 double 類型add<int>(10 , 1.1);  // 通過顯示實例化解決return 0;
}

注意：對于非模板函數和同名函數模板，如果其他條件都相同，會優先調用非模板函數。

3. 類模板

3.1 類模板語法

template<typename T1 , typename T2 , ...>
class ClassName {// ...
};

3.2 類模板的實例化

類模板必須顯示實例化。

template<typename T>
class vector {// ...private:T* start = nullptr;T* finish = nullptr;T* end_of_storage = nullptr;
};int main () {// 顯示實例化vector<int> v1; vector<double> v1; return 0;
}

4. 非類型模板參數

非類型模板參數是C++模板中一種特殊的參數類型，它允許在編譯時傳遞值而不是類型作為模板參數。

非類型模板參數可以是以下類型之一

• 整型

• 指針或引用類型

• C++20起支持浮點類型作為模板參數

• C++20起支持類類型作為模板參數

template<typename T, size_t N = 10>
class Array {// ...T arr[N];
};int main () {Array<> arr1;    // 使用缺省值的寫法Array<5> arr2;Array<15> arr3; return 0;
}

5. 模板的特化

模板特化是C++中為特定類型提供的模板定制。它允許我們為特定類型提供優化的或不同的實現，同時保留通用模板的靈活性。

5.1 函數模板的特化

函數模板也可以特化，但通常更推薦使用函數重載。

函數模板特化步驟

1. 特化必須聲明在主模板之后。

2. 關鍵字template后面接一對空的尖括號<>。

3. 函數名后跟一對尖括號，尖括號中指定需要特化的類型。

4. 特化模板的函數形參必須要和基礎模板的函數形參完全相同。

template<typename T>
bool less(T left , T right) {return left < right;
}// 對 int* 特殊化處理
template<>
bool less<int*>(int* left , int* right) {return *left < *right;
}// 更推薦使用函數重載
bool less (int* left , int* right) {return *left < *right;
}

注意：函數模板不能偏特化，但可以通過函數重載實現。

5.2 類模板的特化

類模板特化分為全特化和偏特化兩種形式。

• 全特化：為模板的所有參數指定具體類型或值，完全特化整個模板。

• 偏特化：只特化部分模板參數，或者對模板參數施加某種模式或約束。

5.2.1 全特化

// 主模板定義
template <typename T1, typename T2>
class MyClass {// 通用實現
};// 全特化
template <>
class MyClass<int, double> {// 針對<int, double>的特化實現
};

5.2.2 偏特化（特化部分模板參數）

// 主模板定義
template <typename T1, typename T2>
class MyClass {// 通用實現
};// 偏特化/半特化
template <typename T1>
class MyClass<T1, double> {// 針對<T1, double>的特化實現
};

注意：全特化和偏特化都存在時，全特化版本比偏特化版本具有更高的優先級。

5.2.3 偏特化（對模板參數施加某種約束）

// 主模板定義
template <typename T1, typename T2>
class MyClass {// 通用實現
};// 偏特化/半特化
template <typename T1 , typename T2>
class MyClass<T1*, T2*> {// 針對<T1*, T2*>的特化實現
};// 偏特化/半特化
template <typename T1 , typename T2>
class MyClass<T1&, T2&> {// 針對<T1&, T2&>的特化實現
};