Mẫu hàm

Thuộc phần Lập trình hướng đối tượng trong hành trình C++ của Coddy. Bài học 64 trên 104.

Hãy tưởng tượng bạn viết một hàm để tìm số nguyên lớn nhất trong hai số nguyên, rồi nhận ra mình cần dùng cùng logic đó cho kiểu số thực double và cả chuỗi. Nếu không có template, bạn sẽ phải viết các hàm gần như giống hệt nhau cho từng kiểu dữ liệu. Function template giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép bạn viết logic một lần, rồi để trình biên dịch tự động tạo các phiên bản dành riêng cho từng kiểu dữ liệu.

Khuôn mẫu hàm dùng từ khóa template, theo sau là các tham số khuôn mẫu nằm trong dấu ngoặc nhọn:

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

int main() {
    std::cout << maximum(5, 3) << std::endl;       // Dùng phiên bản int
    std::cout << maximum(3.14, 2.71) << std::endl; // Dùng phiên bản double
    std::cout << maximum('a', 'z') << std::endl;   // Dùng phiên bản char
}

Trình biên dịch kiểm tra từng lần gọi và tạo một hàm cụ thể cho kiểu dữ liệu đó. Quá trình này được gọi là khởi tạo mẫu. Bạn cũng có thể chỉ định kiểu dữ liệu một cách tường minh khi cần:

std::cout << maximum<double>(5, 3.14) << std::endl;  // Buộc dùng phiên bản double

Mẫu có thể có nhiều tham số kiểu, giúp thiết kế linh hoạt hơn nữa:

template <typename T, typename U>
void printPair(T first, U second) {
    std::cout << first << ", " << second << std::endl;
}

printPair(42, "hello");    // T=int, U=const char*
printPair(3.14, 100);      // T=double, U=int

Khuôn mẫu hàm cung cấp tính đa hình tại thời điểm biên dịch: kiểu dữ liệu được xác định khi biên dịch code, không phải khi chạy. Điều này có nghĩa là không phát sinh chi phí trong lúc chạy như với hàm ảo, nên khuôn mẫu rất phù hợp với code tổng quát cần hiệu năng cao.

Thử thách

Dễ

Hãy xây dựng một bộ công cụ tiện ích bằng cách dùng các hàm mẫu để tạo những thao tác có thể tái sử dụng và hoạt động với mọi kiểu tương thích. Bạn sẽ sắp xếp các hàm tổng quát trong một tệp tiêu đề và minh họa tính linh hoạt của chúng trong chương trình chính.

Bạn sẽ tạo hai tệp:

MathUtils.h: Định nghĩa một tập hợp các hàm mẫu thực hiện những thao tác phổ biến:
minimum: một hàm mẫu nhận hai giá trị cùng kiểu và trả về giá trị nhỏ hơn.
clamp: một hàm mẫu nhận ba tham số: một giá trị, một giới hạn dưới và một giới hạn trên. Hàm trả về giá trị nằm trong các giới hạn đó (trả về giới hạn dưới nếu giá trị nhỏ hơn giới hạn dưới, giới hạn trên nếu giá trị lớn hơn giới hạn trên, nếu không thì trả về chính giá trị đó).
swapValues: một hàm mẫu nhận hai tham chiếu cùng kiểu và hoán đổi giá trị của chúng.
main.cpp: Đọc sáu đầu vào (mỗi đầu vào trên một dòng riêng):
1. Số nguyên thứ nhất
2. Số nguyên thứ hai
3. Một giá trị double cần giới hạn
4. Giới hạn dưới (double)
5. Giới hạn trên (double)
6. Một ký tự
Minh họa các hàm mẫu bằng cách:
1. Tìm giá trị nhỏ nhất trong hai số nguyên và in ra: Min of <a> and <b>: <result>
2. Tìm giá trị nhỏ nhất trong các ký tự 'm' và ký tự bạn nhập, rồi in ra: Min of m and <char>: <result>
3. Giới hạn giá trị double rồi in ra: Clamp <value> to [<low>, <high>]: <result>
4. Giới hạn số nguyên thứ nhất trong phạm vi [0, 100] rồi in ra: Clamp <value> to [0, 100]: <result>
5. Hoán đổi hai số nguyên rồi in ra: After swapValues: <a>, <b>

Ví dụ, với các đầu vào 25, 10, 3.7, 1.0, 5.0 và z:

Min of 25 and 10: 10
Min of m and z: m
Clamp 3.7 to [1, 5]: 3.7
Clamp 25 to [0, 100]: 25
After swapValues: 10, 25

Hãy chú ý cách mỗi hàm mẫu hoạt động liền mạch với số nguyên, số double và ký tự: trình biên dịch tạo phiên bản phù hợp cho từng kiểu bạn dùng. Hàm swapValues cần sửa đổi các biến ban đầu thông qua tham chiếu, qua đó cho thấy hàm mẫu có thể làm việc với tham số tham chiếu như các hàm thông thường.

Tự làm thử

#include <iostream>
#include "MathUtils.h"
using namespace std;

int main() {
    // Đọc dữ liệu đầu vào
    int a, b;
    double value, low, high;
    char ch;
    
    cin >> a;
    cin >> b;
    cin >> value;
    cin >> low;
    cin >> high;
    cin >> ch;
    
    // TODO: Dùng mẫu minimum để tìm số nhỏ hơn trong hai số nguyên
    // In ra: "Min of <a> and <b>: <result>"
    
    // TODO: Dùng mẫu minimum để tìm ký tự nhỏ hơn giữa 'm' và ký tự đầu vào
    // In ra: "Min of m and <char>: <result>"
    
    // TODO: Dùng mẫu clamp cho giá trị double
    // In ra: "Clamp <value> to [<low>, <high>]: <result>"
    
    // TODO: Dùng mẫu clamp cho số nguyên đầu tiên với phạm vi [0, 100]
    // In ra: "Clamp <value> to [0, 100]: <result>"
    
    // TODO: Dùng mẫu swapValues cho hai số nguyên
    // In ra: "After swapValues: <a>, <b>"
    
    return 0;
}