Template 基础篇-函数模板

Template所代表的泛型编程是C++语言中的重要的组成部分，我将通过几篇blog对这半年以来的学习做一个系统的总结，本文是基础篇的第一部分。

为什么要有泛型编程

C++是一门强类型语言，所以无法做到像动态语言（python javascript）那样子，编写一段通用的逻辑，可以把任意类型的变量传进去处理。泛型编程弥补了这个缺点，通过把通用逻辑设计为模板，摆脱了类型的限制，提供了继承机制以外的另一种抽象机制，极大地提升了代码的可重用性。

注意：模板定义本身不参与编译，而是编译器根据模板的用户使用模板时提供的类型参数生成代码，再进行编译，这一过程被称为模板实例化。用户提供不同的类型参数，就会实例化出不同的代码。

函数模板定义

把处理不同类型的公共逻辑抽象成函数，就得到了函数模板。

函数模板可以声明为inline或者constexpr的，将它们放在template之后，返回值之前即可。

普通函数模板

下面定义了一个名叫compare的函数模板，支持多种类型的通用比较逻辑。

template<typename T>
int compare(const T& left, const T& right) {
    if (left < right) {
        return -1; 
    }
    if (right < left) {
        return 1; 
    }
    return 0;
}

compare<int>(1, 2); //使用模板函数

成员函数模板

不仅普通函数可以定义为模板，类的成员函数也可以定义为模板。

class Printer {
public:
    template<typename T>
    void print(const T& t) {
        cout << t <<endl;
    }
};

Printer p;
p.print<const char*>("abc"); //打印abc

为什么成员函数模板不能是虚函数(virtual)？

这是因为c++ compiler在parse一个类的时候就要确定vtable的大小，如果允许一个虚函数是模板函数，那么compiler就需要在parse这个类之前扫描所有的代码，找出这个模板成员函数的调用（实例化），然后才能确定vtable的大小，而显然这是不可行的，除非改变当前compiler的工作机制。

实参推断

为了方便使用，除了直接为函数模板指定类型参数之外，我们还可以让编译器从传递给函数的实参推断类型参数，这一功能被称为模板实参推断。

如何使用

compare(1, 2); //推断T的类型为int
compare(1.0, 2.0); //推断T的类型为double
p.print("abc"); //推断T的类型为const char*

有意思的是，还可以通过把函数模板赋值给一个指定类型的函数指针，让编译器根据这个指针的类型，对模板实参进行推断。

int (*pf) (const int&, const int&) = compare; //推断T的类型为int

当返回值类型也是参数时

当一个模板函数的返回值类型需要用另外一个模板参数表示时，你无法利用实参推断获取全部的类型参数，这时有两种解决办法：

• 返回值类型与参数类型完全无关，那么就需要显示的指定返回值类型，其他的类型交给实参推断。

  注意：此行为与函数的默认实参相同，我们必须从左向右逐一指定。

  template<typename T1, typename T2, typename T3>
  T1 sum(T2 v2, T3 v3) {
      return static_cast<T1>(v2 + v3);
  }
  
  auto ret = sum<long>(1L, 23); //指定T1, T2和T3交由编译器来推断
  
  template<typename T1, typename T2, typename T3>
  T3 sum_alternative(T1 v1, T2 v2) {
      return static_cast<T1>(v1 + v2);
  }
  auto ret = sum_alternative<long>(1L, 23); //error，只能从左向右逐一指定
  auto ret = sum_alternative<long,int,long>(1L,23); //ok, 谁叫你把最后一个T3作为返回类型的呢？
  

• 返回值类型可以从参数类型中获得，那么把函数写成尾置返回类型的形式，就可以愉快的使用实参推断了。

  template<typename It>
  auto sum(It beg, It end) -> decltype(*beg) {
      decltype(*beg) ret = *beg;
      for (It it = beg+1; it != end; it++) {
         ret  = ret + *it;
      }
      return ret;
  }
  
  vector<int> v = {1, 2, 3, 4};
  auto s = sum(v.begin(), v.end()); //s = 10
  

实参推断时的自动类型转换

编译器进行模板实参推断时通常不会对实参进行类型转换，只有以下几种情况例外：

• 普通对象赋值给const引用 int a = 0; -> const T&
• 数组名转换为头指针 int a[10] = {0}; -> T*
• 函数名转换为函数指针 void func(int a){...} -> T*

函数模板重载

函数模板之间，函数模板与普通函数之间可以重载。编译器会根据调用时提供的函数参数，调用能够处理这一类型的最特殊的版本。在特殊性上，一般按照如下顺序考虑：

1. 普通函数

2. 特殊模板（限定了T的形式的，指针、引用、容器等）

3. 普通模板（对T没有任何限制的）

对于如何判断某个模板更加特殊，原则如下：如果模板B的所有实例都可以实例化模板A，而反过来则不行，那么B就比A特殊。

template<typename T>
void func(T& t) { //通用模板函数
    cout << "In generic version template " << t << endl;
}

template<typename T>
void func(T* t) { //指针版本
    cout << "In pointer version template "<< *t << endl;
}

void func(string* s) { //普通函数
    cout << "In normal function " << *s << endl;
}

int i = 10;
func(i); //调用通用版本，其他函数或者无法实例化或者不匹配
func(&i); //调用指针版本，通用版本虽然也可以用，但是编译器选择最特殊的版本
string s = "abc";
func(&s); //调用普通函数，通用版本和特殊版本虽然也都可以用，但是编译器选择最特化的版本
func<>(&s); //调用指针版本，通过<>告诉编译器我们需要用template而不是普通函数

模板函数特化

有时通用的函数模板不能解决个别类型的问题，我们必须对此进行定制，这就是函数模板的特化。函数模板的特化必须把所有的模版参数全部指定。

template<>
void func(int i) {
    cout << "In special version for int "<< i << endl; 
}

int i = 10;
func(i); //调用特化版本