C++函數(shù)模板詳解，輕松實現(xiàn)通用函數(shù)
一、函數(shù)模板
1.編寫通用函數(shù)
您也可以為獨立的函數(shù)編寫模板。其語法與類模板類似。例如，您可以編寫以下通用函數(shù)來在數(shù)組中查找一個值并返回其索引：
static const size_t NOT_FOUND { static_cast<size_t>(-1) };
template <typename T>
size_t Find(const T& value, const T* arr, size_t size) {
for (size_t i { 0 }; i < size; i++) {
if (arr[i] == value) {
return i; // 找到了; 返回索引。
}
}
return NOT_FOUND; // 沒找到; 返回 NOT_FOUND。
}注意：當(dāng)然，當(dāng)元素未找到時，您可以不返回某種哨兵值（如 NOT_FOUND），而是改寫此代碼以返回 std::optional<size_t> 而不是 size_t。這將是使用 optional 的有趣練習(xí)。
2.Find() 函數(shù)模板的應(yīng)用
Find() 函數(shù)模板可以在任何類型的數(shù)組上工作。例如，您可以用它來在 int 數(shù)組中查找 int 的索引，或者在 SpreadsheetCell 數(shù)組中查找 SpreadsheetCell。您可以通過兩種方式調(diào)用該函數(shù)：顯式地用尖括號指定類型參數(shù)，或者省略類型并讓編譯器從參數(shù)中推斷出類型參數(shù)。以下是一些示例：
int myInt { 3 }, intArray[] {1, 2, 3, 4};
const size_t sizeIntArray { size(intArray) };
size_t res;
// 通過推斷調(diào)用 Find<int>。
res = Find(myInt, intArray, sizeIntArray);
// 顯式地調(diào)用 Find<int>。
res = Find<int>(myInt, intArray, sizeIntArray);
// 其他示例
double myDouble { 5.6 }, doubleArray[] {1.2, 3.4, 5.7, 7.5};
const size_t sizeDoubleArray { size(doubleArray) };
// 通過推斷調(diào)用 Find<double>。
res = Find(myDouble, doubleArray, sizeDoubleArray);
// 顯式地調(diào)用 Find<double>。
res = Find<double>(myDouble, doubleArray, sizeDoubleArray);
SpreadsheetCell cell1 { 10 }
SpreadsheetCell cellArray[] { SpreadsheetCell { 4 }, SpreadsheetCell { 10 } };
const size_t sizeCellArray { size(cellArray) };
res = Find(cell1, cellArray, sizeCellArray);
res = Find<SpreadsheetCell>(cell1, cellArray, sizeCellArray);3.數(shù)組大小的自動推斷
之前的 Find() 函數(shù)實現(xiàn)需要作為參數(shù)之一的數(shù)組大小。有時編譯器知道數(shù)組的確切大小，例如，對于基于堆棧的數(shù)組。能夠在不需要傳遞數(shù)組大小的情況下調(diào)用 Find() 會很方便。這可以通過添加以下函數(shù)模板來實現(xiàn)。實現(xiàn)只是將調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)到之前的 Find() 函數(shù)模板。這也表明，函數(shù)模板可以像類模板一樣接受非類型參數(shù)。
template <typename T, size_t N>
size_t Find(const T& value, const T(&arr)[N]) {
return Find(value, arr, N);
}這個版本的 Find() 語法看起來有點奇怪，但其使用非常直接，如下例所示：
int myInt { 3 }, intArray[] {1, 2, 3, 4};
size_t res { Find(myInt, intArray) };4.函數(shù)模板的定義和導(dǎo)出
與類模板方法定義一樣，函數(shù)模板的定義（不僅僅是原型）必須對使用它們的所有源文件可用。因此，如果多個源文件使用它們，您應(yīng)該將定義放在模
塊接口文件中并導(dǎo)出它們。
最后，函數(shù)模板的模板參數(shù)可以像類模板一樣有默認(rèn)值。
注意：C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫提供了一個比這里展示的 Find() 函數(shù)模板更強(qiáng)大的 std::find() 函數(shù)模板。
二、函數(shù)模板重載
1.函數(shù)模板與特化
理論上，C++ 語言允許您編寫函數(shù)模板特化，就像您可以編寫類模板特化一樣。然而，您很少需要這樣做，因為這樣的函數(shù)模板特化不參與重載解析，因此可能表現(xiàn)出意外的行為。相反，您可以用非模板函數(shù)重載函數(shù)模板。例如，您可能想為 const char* 類型的 C 風(fēng)格字符串編寫一個 Find() 重載，這個重載使用 strcmp()來比較，而不是用 operator==，因為 == 只會比較指針，而不是實際的字符串。以下是這樣的重載：
size_t Find(const char* value, const char** arr, size_t size) {
for (size_t i { 0 }; i < size; i++) {
if (strcmp(arr[i], value) == 0) {
return i; // 找到了; 返回索引。
}
}
return NOT_FOUND; // 沒找到; 返回 NOT_FOUND。
}這個函數(shù)重載的使用方式如下：
const char* word { "two" };
const char* words[] { "one", "two", "three", "four" };
const size_t sizeWords { size(words) };
size_t res { Find(word, words, sizeWords) }; // 調(diào)用非模板函數(shù)。如果您顯式指定模板類型參數(shù)，如下所示，那么將調(diào)用函數(shù)模板，其中 T=const char，而不是 const char
res = Find<const char*>(word, words, sizeWords);2.重載與特化的選擇
在選擇重載函數(shù)模板時，應(yīng)該考慮到函數(shù)模板特化可能不參與重載解析的規(guī)則。通常，重載函數(shù)模板與非模板函數(shù)是一種更安全且可預(yù)測的方法，特別是當(dāng)涉及到特定類型的特定處理，如在處理 C 風(fēng)格字符串時使用 strcmp() 而不是默認(rèn)的等號運算符。
三、類模板的友元函數(shù)模板
1.重載運算符的函數(shù)模板
當(dāng)您想在類模板中重載運算符時，函數(shù)模板非常有用。例如，您可能想為 Grid 類模板重載加法運算符（operator+），以便將兩個網(wǎng)格相加。結(jié)果將是一個與兩個操作數(shù)中較小的 Grid 同等大小的 Grid。僅當(dāng)兩個單元格都包含實際值時，才會相加對應(yīng)的單元格。假設(shè)您想讓您的 operator+ 成為一個獨立的函數(shù)模板。定義應(yīng)該放在 Grid.cppm 模塊接口文件中，如下所示。該實現(xiàn)使用 <algorithm> 中定義的 std::min() 來返回兩個給定參數(shù)的最小值：
export template <typename T>
Grid<T> operator+(const Grid<T>& lhs, const Grid<T>& rhs) {
size_t minWidth { std::min(lhs.getWidth(), rhs.getWidth()) };
size_t minHeight { std::min(lhs.getHeight(), rhs.getHeight()) };
Grid<T> result { minWidth, minHeight };
for (size_t y { 0 }; y < minHeight; ++y) {
for (size_t x { 0 }; x < minWidth; ++x) {
const auto& leftElement { lhs.m_cells[x][y] };
const auto& rightElement { rhs.m_cells[x][y] };
if (leftElement.has_value() && rightElement.has_value()) {
result.at(x, y) = leftElement.value() + rightElement.value();
}
}
}
return result;
}要查詢一個 optional 是否包含實際值，您使用 has_value() 方法，而 value() 用于檢索這個值。這個函數(shù)模板適用于任何 Grid，只要網(wǎng)格中存儲的元素類型有加法運算符。這個實現(xiàn)的唯一問題是它訪問了 Grid 類的私有成員 m_cells。一個顯而易見的解決方案是使用公共 at() 方法，但讓我們看看如何讓函數(shù)模板成為類模板的友元。
2.使函數(shù)模板成為類模板的友元
在此示例中，您可以使運算符成為 Grid 類的友元。然而，Grid 類和 operator+ 都是模板。您真正想要的是，對于特定類型 T 的每個 operator+ 實例化，都是同一類型的 Grid 模板實例化的友元。語法如下：
// 前向聲明 Grid 模板。
export template <typename T>
class Grid;
// templatized operator+ 的原型。
export template <typename T>
Grid<T> operator+(const Grid<T>& lhs, const Grid<T>& rhs);
export template <typename T>
class Grid {
public:
friend Grid operator+<T>(const Grid& lhs, const Grid& rhs);
// 省略其他內(nèi)容
};這種友元聲明很微妙：您在說，對于類型 T 的模板實例，operator+ 的 T 實例化是一個友元。換句話說，類實例化和函數(shù)實例化之間存在一對一的友元映射。特別注意 operator+ 上的顯式模板規(guī)范 <T>。這個語法告訴編譯器 operator+ 本身是一個模板。
3.模板參數(shù)推斷
編譯器根據(jù)傳遞給函數(shù)模板的參數(shù)推斷函數(shù)模板參數(shù)的類型。無法推斷的模板參數(shù)必須明確指定。例如，以下 add() 函數(shù)模板需要三個模板參數(shù)：返回值的類型和兩個操作數(shù)的類型：
template <typename RetType, typename T1
, typename T2>
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
return t1 + t2;
}您可以通過以下方式調(diào)用此函數(shù)模板，明確指定所有三個參數(shù)：
auto result { add<long long, int, int>(1, 2) };然而，因為模板參數(shù) T1 和 T2 是函數(shù)的參數(shù)，編譯器可以推斷這兩個參數(shù)，所以您可以只指定返回值類型來調(diào)用 add()：
auto result { add<long long>(1, 2) };這只有在要推斷的參數(shù)位于參數(shù)列表的最后時才有效。假設(shè)函數(shù)模板如下定義：
template <typename T1, typename RetType, typename T2>
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
return t1 + t2;
}您必須指定 RetType，因為編譯器無法推斷該類型。然而，由于 RetType 是第二個參數(shù)，您也必須顯式指定 T1：
auto result { add<int, long long>(1, 2) };您還可以為返回類型模板參數(shù)提供默認(rèn)值，以便在不指定任何類型的情況下調(diào)用 add()：
template <typename RetType = long long, typename T1, typename T2>
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
return t1 + t2;
}
...
auto result { add(1, 2) };
