泛型编程和模板
STL 简介
STL（standard template libaray）是 C++ 标准库的重要组成部分：标准模板库。STL 不仅是一个可复用的组件库，而且
是一个包罗数据结构与算法的软件框架。
原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。也成为 HP 版本，是所有STL实现版本的始祖。
P. J. 版本
由 P. J. Plauger 开发，继承自 HP 版本，被 Windows Visual C++ 采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。
RW版本
由 Rouge Wage 公司开发，继承自 HP 版本，被 C++ Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般。
SGI版本
由 Silicon Graphics Computer Systems，Inc 公司开发，继承自 HP 版 本。被 GCC(Linux) 采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。学习 STL 要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。
网上有句话说：“不懂 STL，不要说你会 C++ ”。STL 是 C++ 中的优秀作品，有了它的陪伴，许多底层的数据结构以及算法都不需要自己重新造轮子，站在前人的肩膀上，健步如飞的快速开发。
STL 的缺陷
- STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。
- STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。
- STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。
- STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。
1. 模板初阶
1.1 泛型编程
void Swap(int& left, int& right) {
// 交换两个整型变量
int tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}
void Swap(double& left, double& right) {
// 交换两个浮点型变量
double tmp = left;
//...
}
void Swap(char*& left, char*& right) {
// 交换两个指针变量
char* tmp = left;
//...
}
如上述代码所示，代码模块的功能非常相似，只是处理的数据类型不同，为每种类型，都写出对应的代码，这样代码复用率太低，且可维护性低。
可以在函数中传入通用的数据类型，从而合并代码，泛型的出现就是专门解决这个问题的。泛型编程的定义就是：编写与类型无关的代码，是一种代码复用的手段。
屏蔽掉数据和操作数据的细节，让算法更为通用，让编程者更多地关注算法的结构，而不是在算法中处理不同的数据类型。编程语言本质上帮助程序员屏蔽底层机器代码的实现，而让我们可以更为关注业务逻辑代码。
泛型编程在 C++ 中，就体现在模板上。可以用模板技术来抽象类型，这样可以写出类型无关的代码。模板是泛型编程的基础，模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。模板分为函数模板和类模板。
1.2 函数模板
函数模板的定义格式
函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，类型在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定函数版本。
//1.
template <class T1, class T2, ..., class Tn>
返回类型 函数名 (参数列表) {
}
//2.
template <typename T1, typename T2, ..., typename Tn>
返回类型 函数名 (参数列表) {
}
如上两种方式都可以，typename 和 class 都是用来定义模板关键字的。
为解决最开始的例子，交换两个变量的函数代码复用问题，可以使用如下的方式：
template <class T>
void Swap(T& left, T& right) {
T tmp = left;
left = right;
right = tmp;
}
函数模板的原理
但当不同数据类型调用该函数模板时，使用的是同一个函数吗？
函数模板本是个蓝图，是编译器产生特定具体类型函数的模具，它本身算是模板而不是函数。模板将重复性的操作交给编译器去执行，产生了多个适用于不同类型的函数。
参数类型不同，函数栈帧必然不同，那必然不会是同一个函数。vs2019 甚至多了这样的窗口：
函数地址不同，可见调用的不是同一个函数。在代码编译阶段，对于模板函数，编译器根据传入的实参类型也推演生成对应类型的函数以供调用。
函数模板的实例化
不同类型的参数使用该函数模板的过程，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为两种：隐式实例化和显式实例化。
-
隐式实例化：编译器根据实参自动推演参数的实际类型的模板实例化过程。
-
显式实例化：函数名后
<>中指定模板参数的类型的实例化过程。
template <class T>
T Add(const T& rx, const T& ry) {
return rx + ry;
}
int main()
{
int a = 10, b = 20;
double c = 3.33, d = 4.44;
//1. 隐式实例化
Add(a, b);
Add(c, d);
//2. 显式实例化
Add<int>(a, d);
Add<double>(a, d);
Add(a, d); // Err:类型不一致
Add((double)a, d); // 提前强转参数类型
return 0;
}
如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。
函数模板的匹配原则
int Add(const int& rx, const int& ry) // 适用于int类型
{
return rx + ry;
}
template <class T>
T Add(const T& rx, const T& ry) // 通用类型模板
{
return rx + ry;
}
- 当存在和函数模板同名同参数列表的函数时，编译器会优先调用普通函数而非模板。
存在普通函数说明开发者更想使用函数而非模板，调用函数也可以省去模板实例化的环节。
- 函数模板不允许自动类型转换，但普通函数传参时允许发生隐式类型转换。
1.3 类模板
使用typedef类型重命名不能够支持所有类型，且不能用同一个类创建不同类型成员的对象。只是将一个固定的类型重命名，并不属于泛型编程。
类模板的定义格式
定义格式和函数模板类似：
template <class T1, class T2,..., class Tn>
class 类模板名 {
//...
};
template <class T>
class Stack {
public:
Stack(int capacity = 4)
:_top(0), _capacity(capacity)
{
_data = new T[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _data;
_data = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
void Push(T x) {
//....
}
private:
T* _data;
int _top;
int _capacity;
};
类模板的实例化
类模板和函数模板的实例化有所不同，类模板实例化必须要在模板名后跟<>并指明类型。类模板是模板而不是类，实例化后生成的类才是真正的类。
//Stack是类模板名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1;
Stack<double> st2;
成员函数声明定义分离，函数体定义在类外时，不仅要声明函数所属类域，还要声明模板类型。
template <class T> // 声明模板类型
void Stack<T>::Push(T x) {
// 声明所属类域
_data[top++] = x;
//...
}
2. 模板进阶
2.1 非类型模板参数
模板的参数不一定是<class T>这样的虚拟类型参数，还有非类型的模板参数。
template <class T> //类型参数
class A;
template <size_t I> //非类型参数
class A;
比如实现一个静态的栈结构，限定数组的大小可以宏定义的方式，也可以采用定义常变量的方式，当然也可以使用非类型模板参数：
//#define N 100
template <class T, size_t N = 100>
class Stack {
//...
private:
T _a[N];
};
Stack<int> st1;
Stack<int, 200> st2;
C++并不推荐使用宏，因为宏的缺点很多。使用非类型模板参数可以灵活控制该常量的数值。
- 非类型模板参数的类型只能是整型家族类型，也就是
char，short，int，long等。 - 非类型模板参数只能是常量，和宏一样都是在编译阶段被替换成对应的常量。
- 非类型模板参数支持给缺省值，和普通参数的缺省值一样只能从右到左给。
2.2 模板的特化
函数模板特化
通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能不能得到想要的结果，比如：
当T被实例化为基本类型时，能够完成任务，但是当T被实例化为指针类型时，需求并不是比较指针的大小而是比较指针所指向的对象的大小。
此时该模板就不能起作用，需要重载出一个版本专门针对对象指针类型的比较函数，特化该函数的参数。
template <class T>
bool ObjLess(T l, T r) {
return l < r;
}
template <>
bool ObjLess<Date*>(Date* l, Date* r) {
//针对对象指针类型
return *l < *r;
}
函数模板特化是从原来的函数模板特化出一个类型专有的版本，相当于针对一个类型的特殊解法。
当函数模板特化不如直接重载一个版本，模板特化在函数处显得比较鸡肋。
模板特化主要是用于类模板特化。
类模板特化
类模板特化和函数模板特化差不多，都是针对某些特殊类型进行特殊处理，用在类处就是特化类的成员变量的类型。
全特化
全特化是模板参数列表中所有模板参数都进行特化。
template <class T1, class T2>
class Data {
public:
Data() {
cout << "Data<T1, T2>" << endl;
}
private:
T1 _a;
T2 _c;
};
template <>
class Data<int, char> {
// 特化处理int,char类型
public:
Data() {
cout << "Data<int, char>" << endl;
}
private:
int _a;
char _c;
};
偏特化
只限制部分参数为固定类型，其他仍是模板参数类型。
template <class T1>
class Data<T1, char> //第二个模板参数为char
{
public:
Data() {
cout << "Data<T1, char>" << endl;
}
private:
T1 _a;
char _c;
};
换言之，特化是对模板参数的进一步限制，如下代码所示，模板参数的指针和引用也算特化。
template <class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
Data() {
cout << "Data<T1*, T2*>" << endl;
}
private:
T1 _a;
char _c;
};
template <class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
Data() {
cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
}
private:
T1 _a;
char _c;
};
非类型模板参数也可以用来特化。
2.3 模板分离编译
一般一个项目为方便维护，都是采用声明和定义分离的形式。.h文件放类的定义和函数的声明，.cpp文件放函数的具体声明。
当对模板进行声明和定义分离时，会出现找不当该函数的链接错误：
test.cpp中有Func2()的声明，所以编译的时候没有报错，待链接时查找Func2的符号表发现并没有void Fun2(int x)这样可调用的函数。
因为模板都是在编译时实例化出对应的版本，但编译时（还没到链接）当前文件并没有该函数的调用，就没有生成对应的函数，故链接时报出没有可匹配的函数实例的错误。
Test.cpp中有函数调用但没有函数定义，等链接时到Func.cpp中查找函数，Func.cpp中有函数定义但没有调用，就没有生成对应的函数实例。
解决方法
声明和定义不要分离，都放到.h文件即可，编译时就能确定变量的地址。
其次，还有一种显式实例化的方法，在Func.cpp文件里显式实例化出对应需要的类型版本。但需要手动指定还是很麻烦的。
3. 模板总结
| 优点 |
|---|
| 模板复用代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生 |
| 增强了代码的灵活性 |
| 缺点 |
| 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长 |
| 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误 |