C++泛型详解

最新推荐文章于 2024-11-18 19:45:40 发布

大王算法

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文章标签： c++ 开发语言

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/fanyun_01/article/details/114233685

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本文介绍了C++中的泛型编程，包括模板的使用（如函数模板和类模板），以及在实际开发中如何通过STL创建泛型容器和算法。重点展示了模板在实现通用和类型安全代码中的作用。

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一、简介

泛型编程是一种使用模板来编写代码的方法，可以让程序员编写与具体数据类型无关的代码。这种方式可以大大提高代码的复用性和灵活性。

编辑C++的泛型编程主要通过模板实现，包括函数模板和类模板。C++泛型就是为了代码能够更好的复用,所以一般的小项目,基本用不到的,大的项目用着会很不错的。泛型编程就是以独立于任何特定类型的方式编写代码，而模板是泛型编程的基础。

首先，举个例子：以数字相加为例的,如下代码所示:

template <class T>
     T add(T num1, T num2)
{
    return num1+num2;
}

虽然这个能够解决那些问题,可是现实中我们很少会采用一种类型的数字相加的,数字类型有整型、浮点、双精度的，这样，我们在程序中，就可以多次使用：

template <class T1,class T2>
float add(T1 num1, T2 num2)
{
     return (float)num1+(float)num2;
}

二、几种常见模板实现

1、定义函数模板（function template）

函数模板是一个独立于类型的函数，可以产生函数的特定类型版本。

// implementstrcmp-like generic compare function

template<typename T>

int compare(constT &v1, const T &v2)

{

    if (v1 < v2) return -1;

    if (v2 < v1) return 1;

    return 0;

}

模板定义以关键字template开始，后接尖括号括住的模板形参表。

模板形参可以是表示类型的类型形参（type parameter），也可以是表示常量表达式的非类型形参（nontype parameter）。上面程序中的T是类型形参。

// compilerinstantiates int compare(const int&, const int&)

cout <<compare(1, 0) << endl;

// compilerinstantiates int compare(const string&, const string&)

string s1 = “hi”,s2 = “world”;

cout <<compare(s1, s2) << endl;

使用函数模板时，编译器会将模板实参绑定到模板形参。编译器将确定用什么类型代替每个类型形参，用什么值代替每个非类型形参，然后产生并编译（称为实例化）该版本的函数。

上面的例子中，编译器用int代替T创建第一个版本，用string代替T创建第二个版本。

函数模板也可以声明为inline。

// inlinespecifier follows template parameter list

template<typename T> inline T min(const T&, const T&);

2、定义类模板（class template）

在定义的类模板中，使用模板形参作为类型或值的占位符，在使用类时再提供具体的类型或值。

template<typename Type>

 class Queue

{

public:

    Queue();

    Type & front();

    const Type & front() const;

    void push(const Type &);

    void pop();

    bool empty() const;

private:

    // …

};

与调用函数模板不同，使用类模板时，必须为模板形参显示指定实参。

Queue<int>qi; // Queue that holds ints

Queue<string>qs; // Queue that holds strings

3、模板类型形参

类型形参由关键字class或typename后接说明符构成。在函数模板形参表中，二者含义相同。typename其实比class更直观，更清楚的指明后面的名字是一个类型名（包括内置类型），而class很容易让人联想到类声明或类定义。

此外，在使用嵌套依赖类型（nested depended name）时，必须用到typename关键字。

在类的内部可以定义类型成员。如果要在函数模板内部使用这样的类型，必须显示告诉编译器这个名字是一个类型，否则编译器无法得知它是一个类型还是一个值。默认情况下，编译器假定这样的名字指定（静态）数据成员，而不是类型。所以下面这段程序，如果去掉typename关键字，将会出现编译错误。

template<typename Parm, typename U>

Parm fcn(Parm *array,U value)

{

    typename Parm::size_type * p;

}

4、非类型模板形参

模板形参也可以是非类型形参，在使用时非类型形参由常量表达式代替。

// initializeelements of an array to zero

template<typename T, size_t N>

void array_init(T(&parm)[N])

{

    for (size_t i = 0; i != N; ++i)

        parm[i] = 0;

}

int x[42];

double y[10];

array_init(x); //instantiates array_init(int (&)[42])

array_init(y); //instantiates array_init(double (&)[10])

5、编写泛型程序

模板代码需要对使用的类型做一些假设，比如上面的compare()要求类型T重载了“<”操作符。所以函数模板内部完成的操作就限制了可用于实例化该函数的类型。

编写模板代码时，对实参类型的要求应尽可能少。比如compare()函数仅使用了“<”操作符，而没有使用“>”操作符。

6、模板元编程

模板元编程是一种利用模板来进行编译时计算的技术。你可以编写在编译期间执行的算法，从而在程序运行前就完成复杂的计算。

template <int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

template <>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

// 使用
int fac_5 = Factorial<5>::value; // 120

实践：泛型容器和算法
在实际开发中，泛型编程最常见的应用是创建泛型容器，如向量、列表、映射等，以及泛型算法，如排序、查找等。
STL（Standard Template Library）是C++的标准模板库，它提供了一套丰富的泛型容器和算法。利用STL，你可以处理各种数据结构和算法问题，而不必担心具体的数据类型。例子：使用STL的泛型算法。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 20, 5, 23, 42};
    std::sort(vec.begin(), vec.end());

    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

在上面的例子中，std::sort是一个泛型算法，它可以对任何满足迭代器要求的容器进行排序。这里我们使用它对int类型的vector进行排序，但它同样可以用于其他类型的数据。