C++模板

最新推荐文章于 2024-10-31 15:49:50 发布

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分类专栏： C++ 文章标签： C++模板 C++函数模板 C++类模板

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本文深入讲解C++模板，包括函数模板和类模板的定义、使用及实例化过程，探讨泛型编程的优势，以及如何利用模板提升代码重用性和灵活性。

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1、简述

模板是泛型编程的基础，泛型编程即以一种独立于任何特定类型的方式编写代码。
模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。库容器，比如迭代器和算法，都是泛型编程的例子，它们都使用了模板的概念。

模板是C++支持参数化多态的工具，使用模板可以使用户为类或者函数声明一种一般模式，使得类中的某些数据成员或者成员函数的参数、返回值取得任意类型。

模板是一种对类型进行参数化的工具；

通常有两种形式：函数模板和类模板；

函数模板针对仅参数类型不同的函数；

类模板针对仅数据成员和成员函数类型不同的类。

使用模板的目的就是能够让程序员编写与类型无关的代码。比如编写了一个交换两个整型int 类型的swap函数，这个函数就只能实现int 型，对double，字符这些类型无法实现，要实现这些类型的交换就要重新编写另一个swap函数。使用模板的目的就是要让这程序的实现与类型无关，比如一个swap模板函数，即可以实现int 型，又可以实现double型的交换。模板可以应用于函数和类。下面分别介绍。

注意：模板的声明或定义只能在全局，命名空间或类范围内进行。即不能在局部范围，函数内进行，比如不能在main函数中声明或定义一个模板。

为什么要有泛型编程

C++是一门强类型语言，所以无法做到像动态语言（python javascript）那样子，编写一段通用的逻辑，可以把任意类型的变量传进去处理。泛型编程弥补了这个缺点，通过把通用逻辑设计为模板，摆脱了类型的限制，提供了继承机制以外的另一种抽象机制，极大地提升了代码的可重用性。

注意：模板定义本身不参与编译，而是编译器根据模板的用户使用模板时提供的类型参数生成代码，再进行编译，这一过程被称为模板实例化。用户提供不同的类型参数，就会实例化出不同的代码。

2、函数模板

函数模板的产生原因:

函数的重载可以实现一个函数名多用，将功能相同或者类似函数用同一个名来定义。这样可以简化函数的调用形式，但是程序中，仍然需要分别定义每一个函数。那么有什么办法可以让我们少写一些函数呢？C++提供了函数模板就可以极大地方便同类型函数的使用。

什么是函数模板？

所谓函数模板实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体指定，用一个虚拟的类型来代表，这个通用函数就称为函数模板。凡是函数体相同的函数都可以用这个模板来代替，不必定义多个函数，只需要在模板中定义一次即可。在调用函数时，系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现了不同函数的功能。

函数模板的一般形式

template <typename T>（通用函数定义）或者template <class T>

template <class type> ret-type func-name(parameter list)
{
   // 函数的主体
}

//定义同上
template <class 形参名, class 形参名,......> 返回类型 函数名(参数列表)
{
   // 函数的主体
}

其中template和class是关见字，class可以用typename 关见字代替，在这里typename 和class没区别，<>括号中的参数叫模板形参，模板形参和函数形参很相像，模板形参不能为空。一旦声明了模板函数就可以用模板函数的形参名声明类中的成员变量和成员函数，即可以在该函数中使用内置类型的地方都可以使用模板形参名。模板形参需要调用该模板函数时提供的模板实参来初始化模板形参，一旦编译器确定了实际的模板实参类型就称他实例化了函数模板的一个实例。比如swap的模板函数形式为

template <class T> 
void swap(T& a, T& b){};

当调用这样的模板函数时类型T就会被被调用时的类型所代替，比如swap(a,b)其中a和b是int 型，这时模板函数swap中的形参T就会被int 所代替，模板函数就变为swap(int &a, int &b)。而当swap(c,d)其中c和d是double类型时，模板函数会被替换为swap(double &a, double &b)，这样就实现了函数的实现与类型无关的代码。

注意：对于函数模板而言不存在 h(int,int) 这样的调用，不能在函数调用的参数中指定模板形参的类型，对函数模板的调用应使用实参推演来进行，即只能进行 h(2,3) 这样的调用，或者int a, b; h(a,b)。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
 
using namespace std;
 
template <typename T>
inline T const& Max (T const& a, T const& b) 
{ 
    return a < b ? b:a; 
} 
int main ()
{
 
    int i = 39;
    int j = 20;
    cout << "Max(i, j): " << Max(i, j) << endl; 
 
    double f1 = 13.5; 
    double f2 = 20.7; 
    cout << "Max(f1, f2): " << Max(f1, f2) << endl; 
 
    string s1 = "Hello"; 
    string s2 = "World"; 
    cout << "Max(s1, s2): " << Max(s1, s2) << endl; 
 
   return 0;
}

//不使用函数模板就需要定义多个函数
int Max(int const& a, int const& b){}
double Max(double const& a, double const& b){}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Max(i, j): 39
Max(f1, f2): 20.7
Max(s1, s2): World

普通函数模板

下面定义了一个名叫compare的函数模板，支持多种类型的通用比较逻辑。

template<typename T> 
int compare(const T& left, const T& right) 
{ 
	if (left < right) { return -1; } 
	if (right < left) { return 1; } 
	return 0; 
} 

compare<int>(1, 2); //使用模板函数

成员函数模板

不仅普通函数可以定义为模板，类的成员函数也可以定义为模板。

class Printer 
{
	 public: template<typename T> 
	 void print(const T& t) { 
	 	cout << t <<endl; 
	 } 
}; 

Printer p; 
p.print<const char*>("abc"); //打印abc

为什么成员函数模板不能是虚函数(virtual)？

这是因为c++ compiler在parse一个类的时候就要确定vtable的大小，如果允许一个虚函数是模板函数，那么compiler就需要在parse这个类之前扫描所有的代码，找出这个模板成员函数的调用（实例化），然后才能确定vtable的大小，而显然这是不可行的，除非改变当前compiler的工作机制。

注意：函数模板可以声明为inline或者constexpr的，将它们放在template之后，返回值之前即可。

3、类模板

正如我们定义函数模板一样，我们也可以定义类模板。泛型类声明的一般形式如下所示：

template <class type> class class-name {
.
.
}

//定义同上
template<class  形参名，class 形参名,…>   class 类名{
 .
 .
 };

类模板和函数模板都是以template开始后接模板形参列表组成，模板形参不能为空，一但声明了类模板就可以用类模板的形参名声明类中的成员变量和成员函数，即可以在类中使用内置类型的地方都可以使用模板形参名来声明。比如

template<class T> class A{public: T a; T b; T hy(T c, T &d);};

在类A中声明了两个类型为T的成员变量a和b，还声明了一个返回类型为T带两个参数类型为T的函数hy。

类模板对象的创建

比如一个模板类A，则使用类模板创建对象的方法为A m;在类A后面跟上一个**<>尖括号并在里面填上相应的类型，这样的话类A中凡是用到模板形参的地方都会被int** 所代替。当类模板有两个模板形参时创建对象的方法为A<int, double> m; 类型之间用逗号隔开。

对于类模板，模板形参的类型必须在类名后的尖括号中明确指定。比如A<2> m;用这种方法把模板形参设置为int是错误的（编译错误：error C2079: ‘a’ uses undefined class ‘A’），类模板形参不存在实参推演的问题。也就是说不能把整型值2推演为int 型传递给模板形参。要把类模板形参调置为int 型必须这样指定A m。

在类模板外部定义成员函数的方法为:

template<模板形参列表> 函数返回类型 类名<模板形参名>::函数名(参数列表){函数体}

比如有两个模板形参T1，T2的类A中含有一个void h() 函数，则定义该函数的语法为：

template<class T1,class T2> void A<T1,T2>::h(){}

注意：当在类外面定义类的成员时template后面的模板形参应与要定义的类的模板形参一致。

再次提醒注意：模板的声明或定义只能在全局，命名空间或类范围内进行。即不能在局部范围，函数内进行，比如不能在main函数中声明或定义一个模板。

模板实例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <stdexcept>
 
using namespace std;
 
template <class T>
class Stack { 
  private: 
    vector<T> elems;     // 元素 
 
  public: 
    void push(T const&);  // 入栈
    void pop();               // 出栈
    T top() const;            // 返回栈顶元素
    bool empty() const{       // 如果为空则返回真。
        return elems.empty(); 
    } 
}; 
 
template <class T>
void Stack<T>::push (T const& elem) 
{ 
    // 追加传入元素的副本
    elems.push_back(elem);    
} 
 
template <class T>
void Stack<T>::pop () 
{ 
    if (elems.empty()) { 
        throw out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack"); 
    }
    // 删除最后一个元素
    elems.pop_back();         
} 
 
template <class T>
T Stack<T>::top () const 
{ 
    if (elems.empty()) { 
        throw out_of_range("Stack<>::top(): empty stack"); 
    }
    // 返回最后一个元素的副本 
    return elems.back();      
} 
 
int main() 
{ 
    try { 
        Stack<int>         intStack;  // int 类型的栈 
        Stack<string> stringStack;    // string 类型的栈 
 
        // 操作 int 类型的栈 
        intStack.push(7); 
        cout << intStack.top() <<endl; 
 
        // 操作 string 类型的栈 
        stringStack.push("hello"); 
        cout << stringStack.top() << std::endl; 
        stringStack.pop(); 
        stringStack.pop(); 
    } 
    catch (exception const& ex) { 
        cerr << "Exception: " << ex.what() <<endl; 
        return -1;
    } 
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

7
hello
Exception: Stack<>::pop(): empty stack

4、C++ 模板template<class T>和template<typename T>的区别

template和template都可以用来定义函数模板和类模板，在使用上，他们俩没有本质的区别。

在C++早期版本中，没有typename这个关键字，所以在模板定义的时候便使用了class。

在C++后期的版本中，为了不再和class向混淆，所以加入了新的关键字typename用以区分。对于我个人而言，在定义模板函数时，更倡导使用typename关键字。

在模板定义语法中关键字class与typename的作用完全一样。
typename难道仅仅在模板定义中起作用吗？其实不是这样，typename另外一个作用为：使用嵌套依赖类型(nested depended name)，如下所示：

class MyArray 
{ 
public：
typedef int LengthType;
.....
}

template<class T>
void MyMethod( T myarr ) 
{ 
typedef typename T::LengthType LengthType; 
LengthType length = myarr.GetLength; 
}