定义模板——函数模板和类模板

面向对象编程（OOP）和泛型编程都能处理在编写程序时不知道类型的情况。不同之处在于：OOP能处理类型在程序运行之前都未知的情况；而在泛型编程中，在编译时就能获知类型了。

前面介绍的容器、迭代器和算法都是泛型编程的例子。当我们编写一个泛型程序时，是独立与任何特定类型来编写代码的。当使用一个泛型程序时，我们提供类型或值，程序实例可在其上运行。

模板是泛型编程的基础。一个模板就是一个创建类或函数的蓝图或者说公式。当使用一个vector这样的泛型类型，或者find这样的泛型函数时，我们提供足够的信息，将蓝图转换为特定的类型函数。这种转换发生在编译时。

定义模板

假定我们希望编写一个函数来比较两个值，并指出第一个值是小于、等于还是大于第二个值。在实际中，我们可能想要定义多个函数，每个函数比较一个给定类型的值。我们的初次尝试可能定义多个重载函数：

int compare(const string &v1,const string &v2)
{
    if(v1<v2) return -1;
    if(v1>v2) return 1;
    return 0;
}

int compare(const double &v1,const string &v2)
{
    if(v1<v2) return -1;
    if(v1>v2) return 1;
    return 0;
}

这两个函数几乎相同，唯一的差别是参数的类型，函数体则完全一样。

如果对每种希望比较的类型都不得不重复定义完全一样的函数体，是非常烦琐且容易出错的。更麻烦的是，在编写程序的时候，我们就要确定可能要compare的所有类型。

函数模板

我们可以定义一个通用的函数模板，而不是为每个类型都定义一个新函数。一个函数模板就是一个公式，可用来生成针对特定类型的函数版本。compare的模板版本可能像下面这样：

template<typename T>
int compare(const T&v1,const T &v2)
{
    if(v1<v2) return -1;
    if(v1>v2) return 1;
    return 0;
}

模板定义以关键字template开始，后跟一个模板参数列表，这是一个逗号分隔的一个或多个模板参数的类表，用小于号(<)和大于号(>)包围起来。

在模板定义中，模板参数列表不能为空。

模板参数列表的作用很像函数参数列表。函数参数列表定义了若干特定类型的局部变量，但并未指出如何初始化它们。在运行时，调用者提供实参来初始化形参。

类似的，模板参数表示在类或函数定义中用到的类型或值。当使用模板时，我们（隐式地或显式地）指定模板实参（template argument），将其绑定到模板参数上。

我们的compare函数声明了一个名为T的类型参数。在compare中，我们用名字T表示一个类型。而T 表示的实际类型则在编译时根据compare的使用情况来确定。

实例化函数模板

当我们调用一个函数模板时，编译器（通常）用函数实参来为我们推断模板实参。即，当我们调用compare时，编译器使用实参的类型来确定绑定到模板参数T的类型。例如，在下面的调用中：

cout<<compare(1,0)<<endl;  //T为int

实参类型是int。编译器会推断出模板实参为int，并将它绑定到模板参数T。

编译器用推断出的模板参数来为我们实例化一个特定版本的函数。当编译器实例化一个模板时，它使用实际的模板实参代替对应的模板参数来创建出模板的一个新“实例”。

例如，给定下面的调用：

//实例化出int compare(const int&,const int&)

cout<<compare(1,0)<<endl; //T为int

//实例化出 int compare(const vector<int>&,const vector<int>&)

vector<int> vec1(1,2,3),vec2(4,5,6);

cout<<compare(vec1,vec2)<<endl; //T为vector<int>

编译器会实例化出两个不同版本的compare。对于第一个调用，编译器会编写并编译一个compare版本，其中T被替换为int：

int compare(const int &v1,const int &v2)
{
    if(v1<v2) return -1;
    if(v1>v2) return 1;
    return 0;
}

对于第二个调用，编译器会生成另一个compare版本，其中T被替换为vector<int>，这些编译器生成的版本通常被称为模板的实例。

模板类型参数

我们的compare函数有一个模板类型参数，一般来说，我们可以将类型参数看作类型说明符，就像内置类型或类类型说明符一样使用。特别是，类型参数可以用来指定返回类型或函数的参数类型，以及在函数体内用于变量声明或类型转换。

类型参数必须使用关键字class或typename：

//错误：U之前必须加上class或typename

template <typename T,U> T calc(const T&,const U&);

在模板参数列表中，这两个关键字的含义相同，可以相互转换使用。一个模板参数列表中可以同时使用这两个关键字：

//正确：在模板参数列表中，typename和class没有什么不同

template<typename T,class U> calc(const T&,const U&);

看起来用关键字typename来指定模板类型参数比用class更为直观。毕竟，我们可以用内置（非类）类型作为模板类型实参。而且，typename更清楚地指出随后的名字是一个类型名。

 

非类型模板参数

除了定义类型参数，还可以在模板定义中定义非类型参数。一个非类型参数表示一个值而非一个类型。我们通过一个特定的类型名而非关键字class 或 typename来指定非类型参数。

当一个模板被实例化时，非类型参数被一个用户提供的或编译器推断出的值所代替。这些值必须是常量表达式，从而允许编译器在编译时实例化模板。