C++函数之函数模板浅析

函数模板是通用的函数描述，也就是说他们使用泛型来定义函数，其中泛型可以用具体的类型代替。通过将类型作为参数传递给模板，可使编译器生成该类型的函数。由于模板允许以泛型的方式编写程序，因此也被称为通用编程。

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。

一、函数模板的声明

函数模板可以用来创建一个通用的函数，以支持多种不同的形参，避免重载函数的函数体重复设计。它的最大特点是把函数使用的数据类型作为参数。

函数模板的声明形式为：

template<typename AnyType>

<返回类型><函数名>(参数表)

{

    函数体

}

其中，<>括号中的参数叫模板形参，模板形参和函数形参很相像，模板形参不能为空。一但声明了模板函数就可以用模板函数的形参名声明类中的成员变量和成员函数，即可以在该函数中使用内置类型的地方都可以使用模板形参名。模板形参需要调用该模板函数时提供的模板实参来初始化模板形参，一旦编译器确定了实际的模板实参类型就称他实例化了函数模板的一个实例。比如swap的模板函数形式为

　　　　　　template <class T> void swap(T& a, T& b){}，

当调用这样的模板函数时类型T就会被被调用时的类型所代替，比如swap(a,b)其中a和b是int 型，这时模板函数swap中的形参T就会被int 所代替，模板函数就变为swap(int &a, int &b)。而当swap(c,d)其中c和d是double类型时，模板函数会被替换为swap(double &a, double &b)，这样就实现了函数的实现与类型无关的代码。

注意：对于函数模板而言不存在 h(int,int) 这样的调用，不能在函数调用的参数中指定模板形参的类型，对函数模板的调用应使用实参推演来进行，即只能进行 h(2,3) 这样的调用，或者int a, b; h(a,b)。

函数模板只是声明了一个函数的描述即模板，不是一个可以直接执行的函数，只有根据实际情况用实参的数据类型代替类型参数标识符之后，才能产生真正的函数。

关键字typename也可以使用关键字class，这时数据类型参数标识符就可以使用所有的C++数据类型。

提示：如果需要多个将同一种算法用于不同类型的函数，请使用模板。如果不考虑向后兼容的问题，并愿意键入较长的单词，则生命类型参数时，应使用typename而不是class

二、模板的形参

有三种类型的模板形参：类型形参，非类型形参和模板形参。

1、类型形参

类型模板形参：类型形参由关见字class或typename后接说明符构成，如template<class T> void h(T a){};其中T就是一个类型形参，类型形参的名字由用户自已确定。模板形参表示的是一个未知的类型。模板类型形参可作为类型说明符用在模板中的任何地方，与内置类型说明符或类类型说明符的使用方式完全相同，即可以用于指定返回类型，变量声明等。

2、非类型形参

2.1 、非类型模板形参：模板的非类型形参也就是内置类型形参，如template<class T, int a> class B{};其中int a就是非类型的模板形参。

2.2、 非类型形参在模板定义的内部是常量值，也就是说非类型形参在模板的内部是常量。

2.3、 非类型模板的形参只能是整型，指针和引用，像double，String, String **这样的类型是不允许的。但是double &，double *，对象的引用或指针是正确的。

2.4、 调用非类型模板形参的实参必须是一个常量表达式，即他必须能在编译时计算出结果。

2.5 、注意：任何局部对象，局部变量，局部对象的地址，局部变量的地址都不是一个常量表达式，都不能用作非类型模板形参的实参。全局指针类型，全局变量，全局对象也不是一个常量表达式，不能用作非类型模板形参的实参。

2.6、 全局变量的地址或引用，全局对象的地址或引用const类型变量是常量表达式，可以用作非类型模板形参的实参。

2.7 、sizeof表达式的结果是一个常量表达式，也能用作非类型模板形参的实参。

2.8 、当模板的形参是整型时调用该模板时的实参必须是整型的，且在编译期间是常量，比如template <class T, int a> class A{};如果有int b，这时A<int, b> m;将出错，因为b不是常量，如果const int b，这时A<int, b> m;就是正确的，因为这时b是常量。

2.9 、非类型形参一般不应用于函数模板中，比如有函数模板template<class T, int a> void h(T b){}，若使用h(2)调用会出现无法为非类型形参a推演出参数的错误，对这种模板函数可以用显示模板实参来解决，如用h<int, 3>(2)这样就把非类型形参a设置为整数3。显示模板实参在后面介绍。

2.10、 非类型模板形参的形参和实参间所允许的转换
　　1、允许从数组到指针，从函数到指针的转换。如：template <int *a> class A{}; int b[1]; A<b> m;即数组到指针的转换
　　2、const修饰符的转换。如：template<const int *a> class A{}; int b; A<&b> m;   即从int *到const int *的转换。
　　3、提升转换。如：template<int a> class A{}; const short b=2; A<b> m; 即从short到int 的提升转换
　　4、整值转换。如：template<unsigned int a> class A{};   A<3> m; 即从int 到unsigned int的转换。
　　5、常规转换。

举例说明：

#include<iostream.h>

template<typename T>
const T& max(const T& a,const T& b){
    return a>b ? a:b;
}

void main(){
    cout<<max(2.1,2.2)<<endl;//模板实参被隐式推演成double
    cout<<max<double>(2.1,2.2)<<endl;//显示指定模板参数。
    cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//显示指定的模板参数，会将函数函数直接转换为int。
}

cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//显示指定的模板参数，会将函数函数直接转换为int。此语句将会出现警告。

warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'const int', possible loss of data

三、函数模板的异常处理

函数模板中的模板形参可实例化为各种类型，但当实例化模板形参的各模板实参之间不完全一致时，就可能发生错误，如：

template<typename T>       

void min(T &x, T &y)

{  return (x<y)?x:y;  }

void func(int i, char j)

{

   min(i, i);

   min(j, j);

   min(i, j);

   min(j, i);

}

例子中的后两个调用是错误的，出现错误的原因是，在调用时，编译器按最先遇到的实参的类型隐含地生成一个模板函数，并用它对所有模板函数进行一致性检查，例如对语句

min(i, j)；

先遇到的实参i是整型的，编译器就将模板形参解释为整型，此后出现的模板实参j不能解释为整型而产生错误，此时没有隐含的类型转换功能。解决此种异常的方法有两种：

⑴采用强制类型转换，如将语句min(i, j);改写为min(i,int( j));

⑵用非模板函数重载函数模板

方法有两种：

① 借用函数模板的函数体

此时只声明非模板函数的原型，它的函数体借用函数模板的函数体。如改写上面的例子如下：

template<typename T>       

void min(T &x, T &y)

{  return (x<y)?x:y;  }

int min(int,int);

void func(int i, char j)

{

   min(i, i);

   min(j, j);

   min(i, j);

   min(j, i);

}

执行该程序就不会出错了，因为重载函数支持数据间的隐式类型转换。

② 重新定义函数体

就像一般的重载函数一样，重新定义一个完整的非模板函数，它所带的参数可以随意。C++中，函数模板与同名的非模板函数重载时，应遵循下列调用原则：

• 寻找一个参数完全匹配的函数，若找到就调用它。若参数完全匹配的函数多于一个，则这个调用是一个错误的调用。

• 寻找一个函数模板，若找到就将其实例化生成一个匹配的模板函数并调用它。

• 若上面两条都失败，则使用函数重载的方法，通过类型转换产生参数匹配，若找到就调用它。

•若上面三条都失败，还没有找都匹配的函数，则这个调用是一个错误的调用。

参考资料：

http://www.cnblogs.com/gw811/archive/2012/10/25/2738929.html