C++模板学习之深入理解函数模板

函数模板的工作机制 函数模板的本质 多参数函数模板 函数重载与函数模板

函数模板的工作机制

问题：函数模板的工作原理是怎么样的?如何区分类型的?跟宏定义的方式有区别吗?

1. 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数

根据自动推导类型的方式，我们就可以知道，函数模板实际是根据传入的实参来判断类型的。

2. 编译器会对函数模板进行两次编译

3. 第一次编译：对模板代码本身进行编译

4. 第二次编译：对参数替换后的代码进行编译

这个机制实际就是为了解决宏定义无法对类型检查的缺陷。第一次编译检查模板函数是否存在语法错误。 第二次编译是在我们调用这个函数的时候，为了得到相对应类型的函数，会再次进行编译。

根据编译器对函数模板的二次编译我们可以知道，函数模板并不是一个实际存在的一个函数，而是产生实际函数的模子。当我们使用参数进行调用，编译器第二次编译后才会产生一个真正的函数。

函数模板的本质

问题：我们如何证明函数模板第二次编译才产生对应类型的函数呢?

示例代码：函数模板的本质

#include 
#include 

using namespace std;

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&);

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

 cout << "pi = " << reinterpret_cast(pi) << endl;
 cout << "pd = " << reinterpret_cast(pd) << endl;

 return 0;
}

输出结果：
pi = 0x41bbb8
pd = 0x41bb84

分析：

1. 我们可以发现，函数指针指向同一个函数，但是输出地址却不相同。

这就说明了实际上编译器为我们产生了两个参数类型不同的函数。

而产生实际函数是在我们指定特定参数类型时才产生的，也就是第二次编译。不然怎么不产生别的类型的函数呢。

多参数函数模板

问题：在我们编写函数时，不可能说函数参数都是相同的，而我们上面所讲的都是函数相同的情况。那么函数参数各不相同时，有返回值时，应该怎么定义函数模板呢？

示例代码：多参数函数模板

#include 
#include 

using namespace std;

template 
< typename t1, typename t2, typename t3 >
t1 add(t2 a, t3 b)
{
 return static_cast(a + b);
}


int main()
{
 int r1 = add(3, 4);  //error,cannot auto type inference

 // t1 = double, t2 = int, t3 = double
 double r2 = add(5, 0.8);

 // t1 = int, t2 = float, t3 = float
 float r3 = add(0.5, 0.8);

 cout << "r2 = " << r2 << endl;  
 cout << "r3 = " << r3 << endl;  

 return 0;
}

输出结果：

r2 = 5.8

r3 = 1

分析：

1. int r1 = add(3, 4); 编译器报错。为什么呢？

就是因为编译器无法自动推导返回值类型。

2. double r2 = add

函数重载与函数模板

实际上，函数模板的实现跟函数重载有点相似。但是函数模板不需要编写大量重复的函数，而是编译器自动帮我们生成了相对应的函数。

那儿，当有一个函数重载了 模板函数，那么编译器会产生什么呀的现象呢？

示例代码：重载函数模板

#include 
#include 

using namespace std;

template < typename t >
t max(t a, t b)
{
 cout << "t max(t a, t b) = ";
 return a > b ? a : b;
}

int max(int a, int b)
{
 cout << "int max(int a, int b) = " ;
 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) = ";
 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;  

 cout << max(3, 4, 5) << endl;// 函数模板 max(int, int, int)

cout << max(5.0, 6.0, 7.0) << endl;

 cout << max('a', 100) << endl;// 普通函数 max(int, int)

 return 0;
}

输出结果：

int max(int a, int b) = 2

t max(t a, t b) = 2

t max(t a, t b) = 4

t max(t a, t b, t c) = int max(int a, int b) = int max(int a, int b) = 5

t max(t a, t b, t c) = t max(t a, t b) = t max(t a, t b) = 7

int max(int a, int b) = 100

分析：

1. cout << max(a, b) << endl; 编译器并没有选择函数模板，而是优先考虑了普通函数。

2. cout << max<>(a, b) << endl; 可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板

3. cout << max(3, 4, 5) << endl; 和 cout << max(5.0, 6.0, 7.0) << endl; 产生一个更好的匹配时，会自动选择模板或者普通函数。

函数重载与函数模板并不冲突。当面对编译器面对选择时：

1. 当参数类型符合普通函数时，优先选择普通函数。

2. 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板。

这种选择也符合我们人类的观点：有更好更方便的，优先选择。