C++函数模板详解,轻松实现通用函数

一、函数模板

1.编写通用函数

您也可以为独立的函数编写模板。其语法与类模板类似。例如，您可以编写以下通用函数来在数组中查找一个值并返回其索引：

static const size_t NOT_FOUND { static_cast(-1) };

template 
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; // 没找到; 返回 NOT_FOUND。
}

注意：当然，当元素未找到时，您可以不返回某种哨兵值（如 NOT_FOUND），而是改写此代码以返回 std::optional 而不是 size_t。这将是使用 optional 的有趣练习。

2.Find() 函数模板的应用

Find() 函数模板可以在任何类型的数组上工作。例如，您可以用它来在 int 数组中查找 int 的索引，或者在 SpreadsheetCell 数组中查找 SpreadsheetCell。您可以通过两种方式调用该函数：显式地用尖括号指定类型参数，或者省略类型并让编译器从参数中推断出类型参数。以下是一些示例：

int myInt { 3 }, intArray[] {1, 2, 3, 4};
const size_t sizeIntArray { size(intArray) };
size_t res;

// 通过推断调用 Find。
res = Find(myInt, intArray, sizeIntArray);

// 显式地调用 Find。
res = Find(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) };

// 通过推断调用 Find。
res = Find(myDouble, doubleArray, sizeDoubleArray);

// 显式地调用 Find。
res = Find(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(cell1, cellArray, sizeCellArray);

3.数组大小的自动推断

之前的 Find() 函数实现需要作为参数之一的数组大小。有时编译器知道数组的确切大小，例如，对于基于堆栈的数组。能够在不需要传递数组大小的情况下调用 Find() 会很方便。这可以通过添加以下函数模板来实现。实现只是将调用转发到之前的 Find() 函数模板。这也表明，函数模板可以像类模板一样接受非类型参数。

template 
size_t Find(const T& value, const T(&arr)[N]) {
    return Find(value, arr, N);
}

这个版本的 Find() 语法看起来有点奇怪，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.函数模板的定义和导出

与类模板方法定义一样，函数模板的定义（不仅仅是原型）必须对使用它们的所有源文件可用。因此，如果多个源文件使用它们，您应该将定义放在模

块接口文件中并导出它们。

最后，函数模板的模板参数可以像类模板一样有默认值。

注意：C++ 标准库提供了一个比这里展示的 Find() 函数模板更强大的 std::find() 函数模板。

二、函数模板重载

1.函数模板与特化

理论上，C++ 语言允许您编写函数模板特化，就像您可以编写类模板特化一样。然而，您很少需要这样做，因为这样的函数模板特化不参与重载解析，因此可能表现出意外的行为。相反，您可以用非模板函数重载函数模板。例如，您可能想为 const char* 类型的 C 风格字符串编写一个 Find() 重载，这个重载使用 strcmp()来比较，而不是用 operator==，因为 == 只会比较指针，而不是实际的字符串。以下是这样的重载：

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; // 没找到; 返回 NOT_FOUND。
}

这个函数重载的使用方式如下：

const char* word { "two" };
const char* words[] { "one", "two", "three", "four" };
const size_t sizeWords { size(words) };
size_t res { Find(word, words, sizeWords) }; // 调用非模板函数。

如果您显式指定模板类型参数，如下所示，那么将调用函数模板，其中 T=const char，而不是 const char

res = Find(word, words, sizeWords);

2.重载与特化的选择

在选择重载函数模板时，应该考虑到函数模板特化可能不参与重载解析的规则。通常，重载函数模板与非模板函数是一种更安全且可预测的方法，特别是当涉及到特定类型的特定处理，如在处理 C 风格字符串时使用 strcmp() 而不是默认的等号运算符。

三、类模板的友元函数模板

1.重载运算符的函数模板

当您想在类模板中重载运算符时，函数模板非常有用。例如，您可能想为 Grid 类模板重载加法运算符（operator+），以便将两个网格相加。结果将是一个与两个操作数中较小的 Grid 同等大小的 Grid。仅当两个单元格都包含实际值时，才会相加对应的单元格。假设您想让您的 operator+ 成为一个独立的函数模板。定义应该放在 Grid.cppm 模块接口文件中，如下所示。该实现使用  中定义的 std::min() 来返回两个给定参数的最小值：

export template 
Grid operator+(const Grid& lhs, const Grid& rhs) {
    size_t minWidth { std::min(lhs.getWidth(), rhs.getWidth()) };
    size_t minHeight { std::min(lhs.getHeight(), rhs.getHeight()) };
    Grid 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;
}

要查询一个 optional 是否包含实际值，您使用 has_value() 方法，而 value() 用于检索这个值。这个函数模板适用于任何 Grid，只要网格中存储的元素类型有加法运算符。这个实现的唯一问题是它访问了 Grid 类的私有成员 m_cells。一个显而易见的解决方案是使用公共 at() 方法，但让我们看看如何让函数模板成为类模板的友元。

3.使函数模板成为类模板的友元

在此示例中，您可以使运算符成为 Grid 类的友元。然而，Grid 类和 operator+ 都是模板。您真正想要的是，对于特定类型 T 的每个 operator+ 实例化，都是同一类型的 Grid 模板实例化的友元。语法如下：

// 前向声明 Grid 模板。
export template 
class Grid;

// templatized operator+ 的原型。
export template 
Grid operator+(const Grid& lhs, const Grid& rhs);

export template 
class Grid {
public:
    friend Grid operator+(const Grid& lhs, const Grid& rhs);
    // 省略其他内容
};

这种友元声明很微妙：您在说，对于类型 T 的模板实例，operator+ 的 T 实例化是一个友元。换句话说，类实例化和函数实例化之间存在一对一的友元映射。特别注意 operator+ 上的显式模板规范 。这个语法告诉编译器 operator+ 本身是一个模板。

3.模板参数推断

编译器根据传递给函数模板的参数推断函数模板参数的类型。无法推断的模板参数必须明确指定。例如，以下 add() 函数模板需要三个模板参数：返回值的类型和两个操作数的类型：

template 
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

您可以通过以下方式调用此函数模板，明确指定所有三个参数：

auto result { add(1, 2) };

然而，因为模板参数 T1 和 T2 是函数的参数，编译器可以推断这两个参数，所以您可以只指定返回值类型来调用 add()：

auto result { add(1, 2) };

这只有在要推断的参数位于参数列表的最后时才有效。假设函数模板如下定义：

template 
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

您必须指定 RetType，因为编译器无法推断该类型。然而，由于 RetType 是第二个参数，您也必须显式指定 T1：

auto result { add(1, 2) };

您还可以为返回类型模板参数提供默认值，以便在不指定任何类型的情况下调用 add()：

template 
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}
...
auto result { add(1, 2) };