[知识点] 1.5.4 模板与 STL

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前言

模板是之前几乎没接触过的东西，在 C++ 中使用得其实也挺多的；STL 就不多说了，太好用了。

子目录列表

1、模板的概念

2、函数模板

3、类模板

4、STL

1.5.4  模板与 STL

1、模板的概念

模板（Template），是 C++ 实现代码重用机制的重要工具，是泛型技术（即与数据类型无关的通用程序设计技术）的基础。它把算法设计从具体数据类型中分离出来，能够设计出独立于数据类型的通用模板程序，分为函数模板和类模板两类。

有些时候，我们设计某些功能需要针对诸多不同的数据类型，但除此之外代码完全一致，为此不得不编写多个具体到不同数据类型的程序，比如一个简单的求最大值函数：

int max(int a, int b) {
    return a > b ? a : b;
}

double max(double a, double b) {
    return a > b ? a : b;
}

char max(char a, char b) {
    return a > b ? a : b;
}

在 1.1  C 语言基础 中的预处理器部分，我们提到的宏定义 #define 可以解决这个问题，即：

#define max(a, b) (a < b ? a : b)

但宏定义一直存在的最大问题就是会避开类型检查机制，并且因为可操作性太强，以至于非常容易出现难以意料的错误。而模板的出现，让一切变得简单而规范。

模板就像工艺制造中的模具一样，功能已经被固定下来，而数据类型就像填充的材质一样，是可以选择的；最后生产出来的产品，便是函数或者类。以上述求最大值函数为例，其函数模板为：

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

关键字 template 表示定义模板（这个代码编辑器竟然不识别 template），< > 为参数表，typename 表示 T 可以为任何数据类型，称为类型参数，可以用 class 代替，两者完全等价。

2、函数模板

前面已经用函数模板举了个例子，其一般形式为：

template <模板参数表>
返回类型 函数名(参数表) {
    ...
}

注意，template 语句和函数模板的定义之间不能有任何其他语句。

当编译器遇到 template 和跟随其后的函数定义时，它只是简单地知道这个函数模板以后可能会用到，而并不会据此有任何操作。当编译器遇到对其的调用时，才会根据调用语句中实参的具体类型生成代码，这一过程叫做模板的实例化，生成的函数称作模板函数。

注意，使用函数模板时，编译器并不会进行任何参数类型的隐式转换，如果出现不匹配的情况，将会直接报错。诸如上述求最大值模板，如果调用 max(2, 3.2)，系统会将 2 判定为 int 类型，而 3.2 为 double 类型，但模板并未允许两者为不同数据类型，故出现错误。解决这个问题，可以：

① 显式转换类型；

② 显式指定函数模板实例化的类型参数，比如：min<double>(2, 3.2)；

③ 指定多个模板参数，比如：

template <typename T1, typename T2> 
T1 max(T1 a, T2 b) {
    return a > b ? a : b;
} 

（当然这样写其实依旧不够准确，但确实不会导致编译错误，更好的办法是将返回类型替换成 C++ 11 标准中的 auto，关于 auto 请参见 施工中）

模板参数还可以为确定的数据类型，称为非类型模板参数，和普通函数的形参定义方式和作用是类似的，举个例子：

template <typename T, int n>
void sort(T a[n]) {
    for (int i = 1; i < n; i++)
        for (int j = i + 1; j <= n; j++)
            if (a[i] > a[j])
                swap(a[i], a[j]);
} 

int a[] = {1, 3, 4, 2, 9, 5, 8, 10, 6, 7};
sort <int, 10> (a);

注意，非类型参数只能被传递常数，而不能传递变量。

3、类模板

类模板与类的关系形如函数模板与函数的关系，其一般形式为：

template <模板参数表>
class 类名 {
    ...
}; 

关于类模板与模板类的关系，以及模板参数不再赘述，直接以一个自定义的栈类模板举例：

template <typename T, int n>
class Stack {
    T a[n];
    int top;
public:
    Stack() {
        T = 0;
    }
    void push(T o);
    T pop() {
        if (top <= 0) {
            cout << "error" << endl;
            return 0;
        }
        top--;
        return a[top];
    }
    bool empty() {
        return top == 0;
    }
};

template <typename T, int n>
void Stack <T, n> :: push(T o) {
    if (top == n) {
        cout << "error" << endl;
        return 0;

    }
    a[top++] = o;
}

Stack <int, 10> s;

其中，pop() 函数使用的是类内定义，无异于普通类；push() 函数使用的是类外定义，则在定义时需要再次声明模板，并且加上完整的类型限定符。

由类模板实例化生成针对具体数据类型的模板类，再由模板类定义模板对象。

4、STL

① STL 简介

上面已经介绍了如何自定义模板，而 C++ 内置了一套非常完善的标准模板库，将诸多组件实现了标准化，极大便捷了开发者对程序的编写。

标准模板库（Standard Template Library, STL），包含：容器（Container），迭代器（Iterator），算法（Algorithm），空间配置器（Allocator），配接器（Adapter），仿函数（Functor），前三者为核心内容。它们被保存在如下 13 个头文件：

<algorithm>, <deque>, <functional>, <iterator>, <vector>, <list>, <map>, <memory.h>, <numeric>, <queue>, <set>, <stack>, <utility>

② STL 容器

容器（Container）是用来存储其他对象的对象。容器是容器类的实例，容器类是用类模板实现的，适用于各种数据类型，包含：顺序容器（序列式容器）、关联容器和容器适配器。

> 顺序容器

顺序容器是将同类型对象的有限集按顺序组织在一起的容器，用来表示线性数据结构，包括：向量（Vector），列表（List）和双端队列（Deque）。

还有一种特殊的顺序容器：值对（pair）。

> 关联容器

关联容器是非线性容器，用来根据键（key）进行快速存储、检索数据的容器，可以存储值的集合或者键-值对（Key-Value），主要包括：集合（Set），多重集合（Multiset），映射（Map）和多重映射（Multimap）。

> 容器适配器

容器适配器本质上并不是容器，因为它没有迭代器，但依旧归类于容器；它由栈（Stack），队列（Queue）和优先队列（Priority_queue）组成。

③ STL 迭代器

迭代器（Iterator）是一个对象，常用来遍历容器，可以认为是基于模板的指针，可以指示容器中的元素位置，遍历各个元素。迭代器本身提供了适用于多种容器类型的通用操作，开发者无需知道实际类型。

迭代器是 STL 的核心，用于定义哪些算法可以在容器中使用，是容器和算法之间的桥梁。如果某个容器需要使用迭代器，则需要定义它，一般形式为：

容器类型 <容器参数表> :: iterator 迭代器名; 

举个例子：

list <int> l;
list <int> :: iterator iter; 

迭代器提供的主要操作如下：

施工中

④ STL 算法

算法（Algorithm）是用模板技术实现的适用于各个容器的通用程序，一般通过迭代器间接操作容器元素，并返回迭代器作为算法运算的结果。STL 共计提供了超过 100 个实现算法的模板函数，基本都包含在 <algorithm> 库中，其中许多算法不仅适用于容器类型，还适用于普通的 C++ 数组或者自定义容器。