我们到目前为止，学习了 C++ 这么久。提个小问题：在 C++ 中有几种交换变量的方法呢？通过定义宏代码块和定义函数。下来我们做个实验

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

#define SWAP(t, a, b)    \
do                       \
{                        \
    t c = a;             \
    a = b;               \
    b = c;               \
}while(0)
    
void Swap(int& a, int& b)
{
    int c = a;
    a = b;
    b = c;
}

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

void Swap(string& a, string& b)
{
    string c = a;
    a = b;
    b = c;
}

int main()
{
    int a = 0;
    int b = 1;
    
    SWAP(int, a, b);
    
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << endl;

    double m = 2;
    double n = 3;
    
    Swap(m, n);
    
    cout << "m = " << m << endl;
    cout << "n = " << n << endl;
    cout << endl;
    
    string c = "hello";
    string d = "world";
    
    Swap(c, d);
    
    cout << "c = " << c << endl;
    cout << "d = " << d << endl;
    cout << endl;
    
    Swap(a, b);
    
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    
    return 0;
}

        我们来看看编译结果

图片.png

        我们看到已经成功实现交换的功能了。宏定义代码块的优点是代码可以复用，适合所有的类型，缺点是编译器不知道宏的存在，并不会去进行类型检查。定义函数的优点是编译器会去对类型进行检查，而缺点是根据类型需要重复定义函数，无法进行代码复用。那么在 C++ 中有没有解决方案集合两种方法的优点呢？就是泛型编程。泛型编程是指不考虑具体数据类型的编程方式，对于上面 Sawp 函数可以考虑下面的泛型写法

void Sawp(T& a, T& b)
{
    T t = a;
    a = b;
    b = t;
}

        Swap 泛型写法中的 T 不是一个具体的数据类型，而是泛指任意的数据类型。C++ 中泛型编程便是指函数模板了。一种特殊的函数可用不同类型进行调用，看起来和普通函数很相似，区别是类型可被参数化。如下

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

        函数模板的语法规则是：template 关键字用于声明开始进行泛型编程，typename 关键字用于声明泛指类型，如下

图片.png

        函数模板的使用：自动类型推导调用和具体类型显示调用，如下

int a = 0;
int b = 1;

Swap(a, b)          // 自动推导

float c = 2;
float d = 3;

Swap<float>(c, d);  // 显示调用

        下来我们还是以代码为例来进行分析

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

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

template < typename T >
void Sort(T a[], int len)
{
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        for(int j=i; j<len; j++)
        {
            if( a[i] > a[j] )
                Swap(a[i], a[j]);
        }
    }
}

template < typename T >
void Println(T a[], int len)
{
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        cout << a[i] << ", ";
    }
    
    cout << endl;
}

int main()
{
    int a[5] = {5, 2, 4, 1, 3};
    
    Println(a, 5);
    Sort(a, 5);
    Println(a, 5);
    
    cout << endl;
    
    string s[5] = {"Java", "C++", "Pascal", "Ruby", "Basic"};
    
    Println(s, 5);
    Sort(s, 5);
    Println(s, 5);
    
    return 0;
}

        我们看看能否实现数组和字符串的排序

图片.png

        这个函数模板已经实现了我们所想要的功能了。我们有必要再来深入的看下这个函数模板都做了什么？编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数，编译器会对函数模板进行两次编译，第一次是对模板本身进行编译，第二次是对参数替换后的代码进行编译。请注意哈，函数模板本身不允许隐式类型转换，即自动推导类型时，必须进行严格匹配；显示类型指定时，能够进行隐式类型转换。

        下来我们还是以代码为例来进行分析说明

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Test
{
public:
    Test()
    {
    }
};

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

typedef void(FuncI)(int&, int&);
typedef void(FuncD)(double&, double&);
typedef void(FuncT)(Test&, Test&);

int main()
{
    FuncI* pi = Swap;   // 编译器自动推导 T 为 int
    FuncD* pd = Swap;   // 编译器自动推导 T 为 double
    FuncT* pt = Swap;   // 编译器自动推导 T 为 Test
    
    cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;
    cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;
    cout << "pt = " << reinterpret_cast<void*>(pt) << endl;
    
    return 0;
}

        我们看看是不是如我们在注释中所写的一样，如果产生具体函数的话，那么它打印的三个地址就会是不同的。我们来看看编译结果

图片.png

        我们看到编译器确实在编译函数模板的时候产生具体的函数了，类的对象都可以作为参数。下来我们看看编译器是不是会对函数模板进行二次编译，我们在 Test 类中定义一个私有成员函数，拷贝构造函数。如果进行二次编译的话，肯定会报错，因为在 Swap 函数中会有临时对象的产生，而这块是私有的。我们来看看编译结果图片.png

        我们看到确实是报错了，确实是如我们所分析的那样。函数模板还可以定义任意多个不同的类型参数。如下

图片.png

        那么对于多参数函数模板，它无法自动推导返回值类型，可以从左向右部分指定类型参数。在工程中将返回值参数作为第一个类型参数！所以第一个参数必须指定，下来我们还是以代码为例来进行分析

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template 
< typename T1, typename T2, typename T3 >
T1 Add(T2 a, T3 b)
{
    return static_cast<T1>(a + b);
}

int main()
{
    // T1 = int, T2 = double, T3 = double
    int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);

    // T1 = double, T2 = float, T3 = double
    double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);

    // T1 = float, T2 = float, T3 = float
    float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);

    cout << "r1 = " << r1 << endl;     // r1 = 1
    cout << "r2 = " << r2 << endl;     // r2 = 1.3
    cout << "r3 = " << r3 << endl;     // r3 = 1.3
    
    return 0;
}

        我们来看看编译结果是不是这样的

图片.png

        当函数重载遇见函数模板会发生什么呢？函数模板可以像普通函数一样被重载，C++ 编译器优先考虑普通函数。如果函数模板扩产生一个更好的匹配，那么选择模板；可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板。如下

图片.png

        我们还是以代码为例进行分析

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template < typename T >
T Max(T a, T b)
{
    cout << "T Max(T a, T b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

int Max(int a, int b)
{
    cout << "int Max(int a, int b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

template < typename T >
T Max(T a, T b, T c)
{
    cout << "T Max(T a, T b, T c)" << endl;
    
    return Max(Max(a, b), c);
}

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    cout << Max(a, b) << endl;            // 普通函数 Max(int, int)
    
    cout << Max<>(a, b) << endl;          // 函数模板 Max(int, int)
    
    cout << Max(3.0, 4.0) << endl;        // 函数模板 Max(double, double)
    
    cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl;   // 函数模板 Max(double, double, double)
    
    cout << Max('a', 100) << endl;        // 普通函数 Max(int, int)
    
    return 0;
}

        我们看下这个程序，第一个显然调用的是普通函数，因为编译器会优先考虑普通函数；第二个显然是通过空模板是来实现的，因此它调用的是函数模板；第三个是 double 类型的，因此它会调用函数模板；第四个有三个参数，因此我们肯定它调用的是函数模板；最后一个是两个不同类型的参数，因为 char 会隐式转换为 int 类型，所以它会调用普通函数。我们下来看看编译结果

图片.png

        我们看到我们分析的完全是正确的。通过对函数模板的学习，总结如下：1、函数模板是泛型编程在 C++ 中的应用方式之一；2、函数模板能够根据实参对参数类型进行推导，它支持显示的指定参数类型；3、函数模板是 C++ 中重要的代码复用方式；4、函数模板通过具体类型产生不同的参数，并且它可以定义任意多个不同的类型参数；5、函数模板中的返回值类型必须显示指定；6、函数模板可以像普通函数一样被重载。


        欢迎大家一起来学习 C++ 语言，可以加我QQ：243343083。