【C++】笔记5——模板

原创 于 2022-03-14 10:37:53 发布 · 1k 阅读 · 1 ·
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#c++

本文详细介绍了C++中的模板机制，包括函数模板和类模板的语法、注意事项、应用案例以及调用规则。通过示例探讨了模板在选择排序中的应用，并对比了普通函数与函数模板的区别。同时，讲解了类模板的特点，如成员函数的创建时机、类模板对象作为函数参数的处理、与继承的关系，以及类模板成员函数的类外实现和分文件编写策略。最后，讨论了类模板与友元的结合使用，并给出一个通用数组类的实现案例。

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模板

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性
模板不可以直接使用，它只是一个框架
模板的通用不是万能的

函数模板

  • C++另一种编程思想称为泛型编程，主要利用的技术就是模板
  • C++提供两种模板机制：函数模板和类模板
函数模板语法

函数模板作用：建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表（将类型参数化）
语法：

template<typename T>
函数声明或定义

使用模板的两种方式：
1.自动类型推导
2.显示指定类型

//声明一个模板，告诉编译器后面的代码中紧跟着的T不要报错，T是通用的数据类型
template<typename T>	
void mySwap(T &a, T &b) {
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 10;

	//利用函数模板交换
	//1.自动类型推导
	mySwap(a, b);

	//2.显示制定类型
	mySwap<int>(a, b);
}
函数模板的注意事项
  • 自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T，才可以使用
template<typename T>	
void mySwap(T &a, T &b) {
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

int main()
{
	int a = 10;
	char c = 10;
	//1.自动类型推导
	mySwap(a, c);		//错误 类型不一致
}
  • 模板必须确定出T的数据类型，才可以使用
template<typename T1>
void func() {
	cout << "this is func" << endl;
}

void test0()
{
	func();			//错误 没有给出T1的数据类型
	func<int>();	//正确
}
模板案例：选择排序

案例描述：
1.利用函数模板封装一个排序的函数， 可以对不同数据类型数组进行排序
2.排序规则从大到小，排序算法为选择排序
3.分别利用char数组和int数组进行测试

//交换函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//排序模板
template<typename T> 
void mySort(T arr[], int len)
{
	for (int i = 0; i < len; i++) {
		int max = i;	//认定最大值的下标
		for (int j = i; j < len; j++) {
			if (arr[max] < arr[j]) {		//认定的最大值比遍历出来的值小
				max = j;	//更新最大值下标
			}
		}
		if (max != i) {
			//交换max和i下标的元素
			mySwap(arr[max], arr[i]);
		}
	}
}

//打印数组模板
template<typename T>
void printArr(T arr[], int len)
{
	for (int i = 0; i < len; i++) {
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test0()
{
	char charArr[] = "badcfe";
	int len = sizeof(charArr) / sizeof(char);
	mySort(charArr, len);
	printArr(charArr, len);
}

void test1()
{
	int intArr[] = { 7, 9, 5, 6, 8, 2, 4, 3, 1 };
	int len = sizeof(intArr) / sizeof(int);
	mySort(intArr, len);
	printArr(intArr, len);
}
普通函数与函数模板的区别
  • 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
  • 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
  • 如果利用显示类型指定的方式，可以发生隐式类型转换
#include<iostream>
using namespace std;

int myAdd0(int a, int b)
{
	return a + b;
}

template<typename T>
T myAdd1(T a, T b)
{
	return a + b;
}

void test()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'a';

	myAdd0(a, c);		//正确，普通函数的自动类型转换（隐式类型转换）
	myAdd1<int>(a, c);	//正确，利用显示类型指定的方式，发生隐式类型转换
	myAdd1(a, c);		//错误，自动类型推导，不会发生隐式类型转换
}
普通函数和函数模板的调用规则
  1. 如果函数模板和普通模板都可以实现，优先调用普通函数
  2. 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
  3. 函数模板也可以发生重载
  4. 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板
void myPrint(int a, int b)
{
	cout << "调用普通函数" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b)
{
	cout << "调用函数模板" << endl;
}

//3. 函数模板也可以发生重载
template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c)
{

}

void test0()
{
	int a = 10, b = 10;

	//1. 如果函数模板和普通模板都可以实现，优先调用普通函数
	myPrint(a, b);		//调用普通函数

	//2. 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
	myPrint<>(a, b);	//调用函数模板

	//4. 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板
	char c = 'c', d = 'd';
	myPrint(c, d);		//调用函数模板
}
模板的局限性
template<typename T>
void func(T a, T b)
{
	a = b;			//如果ab为数组，无法实现
}

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了

template<typename T>
void func1(T a, T b)
{
	if (a > b) {
	}					//如果ab为自定义数据类型，无法实现
}

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行

因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

class Person {
public:
	string m_Name;
	int m_Age;
	
	Person(string name, int age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
};

template<typename T>
bool myCompare(T &a, T &b)
{
	if (a == b) {
		return true;
	}
	return false;
}

//利用具体化Person的版本实现代码，具体化优先调用
template<> bool myCompare(Person &p1, Person &p2)
{
	if (p1.m_Age == p2.m_Age && p1.m_Name == p2.m_Name) {
		return true;
	}
	return false;
}

int main()
{
	Person p1("fqy", 21);
	Person p2("fqo", 21);
	
	bool ret = myCompare(p1, p2);
	if (ret) {
		cout << "p1 == p2" << endl;
	}
	else {
		cout << "p1 != p2" << endl;
	}
}

类模板

作用：建立一个通用类，类中的成员数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表

template<typename T>
类

template ----- 声明创建模板
typename ----- 标明其后面的符好是一种数据类型，可以用class代替
T ----- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

template<class NameType, class AgeType>
class Person {
public:
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;

	Person(NameType name, AgeType age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	void showPerson() {
		cout << "name: " << this->m_Name << " age = " << this->m_Age << endl;
	}
};

void test0()
{
	Person<string, int> p1("wy", 21);
	p1.showPerson();
}
类模板与函数模板的区别
  1. 类模板没有自动类型推导的使用方式
template<class NameType, class AgeType>
class Person {
public:
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;

	Person(NameType name, AgeType age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	void showPerson() {
		cout << "name: " << this->m_Name << " age = " << this->m_Age << endl;
	}
};

void test0()
{
	//1. 类模板没有自动类型推导的使用方式
	Person p("zsy", 24);				//错误,无法使用自动类型推导
	Person<string, int>p("zsy", 24);	//正确，只能用显示指定类型
}
  1. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person {
public:
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;

	Person(NameType name, AgeType age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	void showPerson() {
		cout << "name: " << this->m_Name << " age = " << this->m_Age << endl;
	}
};

void test1()
{
	//2. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
	Person<string>p("zsy", 24);
}
类模板中成员函数的

类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的:

  • 普通类中的成员函数一开始就可以创建
  • 类模板中的成员函数在调用时才创建
class Person1 {
public:
	void showPerson1() {
		cout << "Person1 show" << endl;
	}
};

class Person2 {
public:
	void showPerson2() {
		cout << "Person2 show" << endl;
	}
};

template<class T>
class MyClass {
public:
	T obj;

	//类模板中的成员函数
	//在一开始无法创建，因为无法确定obj的类型，调用时才会创建	
	void func1() {
		obj.showPerson1();		//不会报错
	}

	void fun2() {
		obj.showPerson2();
	}
};

void test0()
{
	MyClass<Person1>m;
	m.func1();				//正确
	m.func2();				//错误	在调用时创建成员函数	
}
类模板对象做函数参数

目标：类模板实例化出的对象，向函数传参的方式

一共有三种传入方式：

  1. 指定传入的类型 — 直接显示对象的数据类型（最常用）
  2. 参数模板化 — 将对象中的参数变为模板进行传递
  3. 整个类模板化 — 将这个对象类型模板化进行传递
template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

	Person(T1 name, T2 age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	void showPerson() {
		cout << "name: " << this->m_Name << " age = " << this->m_Age << endl;
	}
};

//1. 指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
void printPerson0(Person<string, int> &p)
{
	p.showPerson();
}
void test0()
{
	Person<string, int>p("fqy", 21);
	printPerson0(p);
}

//2. 参数模板化-- - 将对象中的参数变为模板进行传递
template<class T1, class T2>
void printPerson1(Person<T1, T2> &p)
{
	p.showPerson();
	//查看模板中推出来的是什么类型
	cout << "T1的类型为：" << typeid(T1).name() << "T2的类型为：" << typeid(T2).name() << endl;
}
void test1()
{
	Person<string, int>p("wy", 21);
	printPerson1(p);
}

//3. 整个类模板化-- - 将这个对象类型模板化进行传递
template<typename T>
void printPerson2(T &p) 
{
	p.showPerson();
	cout << "T的类型为：" << typeid(T).name() << endl;
}
void test2()
{
	Person<string, int>p("zsy", 24);
	printPerson2(p);
}

在这里插入图片描述

类模板与继承
  • 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型
  • 如果不指定,编译器无法给子类分配内存
  • 如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板
template<class T>
class Base {
	T m;
};

//class Son :public Base {	//错误，必须知道父类中T的类型，才能继承给子类
//
//};

class Son :public Base<int> {

};

void test0()
{
	Son s;
}

//如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T1> {
	T2 obj
};

void test1()
{
	Son2<int, char>s1;
}
类模板成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	Person(T1 name, T2 age); 
	void showPerson();

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
}

//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "name: " << this->m_Name << " age = " << this->m_Age << endl;
}
类模板的分文件编写
  • 问题：
    类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到
  • 解决方法1：直接包含.cpp源文件
    解决方式2：将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp, hpp是约定的名称，并不是强制
类模板与友元

学习目标：掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现

全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可（推荐）
全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在

template<class T1, class T2>
class Person;

//类外实现
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> p)
{
	cout << "类外实现—— name: " << p.m_Name << " age = " << p.m_Age << endl;
}

template<class T1, class T2>
class Person {
	//全局函数，类内实现
	friend void printPerson(Person<T1, T2> p) {
		cout << "类内实现—— name: " << p.m_Name << " age = " << p.m_Age << endl;
	}

	//全局函数，类外实现
	//加空模板参数列表，即<>		由普通函数声明 变为 函数模板声明
	//需要提前让编译器知道全局函数的存在
	friend void printPerson2<>(Person<T1, T2> p);

public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

	Person(T1 name, T2 age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	
};

//全局函数的类内实现
void test0()
{
	Person<string, int>p("wy", 21);
	printPerson(p);
}

//全局函数类外实现
void test1()
{
	Person<string, int>p("zsy", 24);
}
类模板案例

实现一个通用的数组类，要求如下:
1.可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
2.将数组中的数据存储到堆区
3.构造函数中可以传入数组的容量
4.提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
5.提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
6.可以通过下标的方式访问数组中的元素
7.可以获取数组中当前元素个数和数组的容量
在这里插入图片描述
MyArr.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

template<class T>
class MyArray {
public:
	//有参构造
	MyArray(int capacity) {
		this->m_Capacity = capacity;
		this->m_Size = 0;
		this->pAddress = new T[this->m_Capacity];

		cout << "MyArray的有参构造" << endl;
	}

	//拷贝构造
	MyArray(const MyArray& arr) {
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;
		//深拷贝
		this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];
		//将arr中的数组都拷贝过来
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++) {
			this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
		}

		cout << "MyArray的拷贝构造" << endl;
	}

	//operator= 防止浅拷贝问题
	MyArray& operator=(const MyArray& arr) {
		//先判断原来堆区是否有数据，如果有，先释放
		if (this->pAddress != NULL) {
			delete[] this->pAddress;
			this->pAddress = NULL;
			this->m_Capacity = 0;
			this->m_Size = 0;
		}
		//深拷贝
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;
		this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++) {
			this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
		}

		cout << "MyArray的operator=" << endl;

		return *this;
	}

	//尾插法
	void PushBack(const T & val) {
		//判断容量是否大于size
		if (this->m_Capacity <= this->m_Size) {
			cout << "容量不足，无法插入" << endl;
			return;
		}
		this->pAddress[this->m_Size] = val;		//在数组末尾插入数据
		this->m_Size++;							//更新数组大小
	}

	//尾删法
	void PopBack() {
		//让用户访问不到最后一个元素（逻辑尾删）
		if (this->m_Size == 0) {
			cout << "没有数据，无法删除" << endl;
			return;
		}
		this->m_Size--;
	}

	//通过下标的方式访问（重载[]）
	T& operator[](int index) {		//返回结果可能作为赋值的左值，所以需要返回引用
		if (this->m_Size <= index) {
			cout << "越界，无法访问" << endl;
			exit(0);
		}
		return this->pAddress[index];
	}

	//返回数组容量
	int getCapacity() {
		return this->m_Capacity;
	}

	//返回数组大小
	int getSize() {
		return this->m_Size;
	}

	//析构函数
	~MyArray() {
		if (this->pAddress != NULL) {
			delete[] this->pAddress;
			this->pAddress = NULL;
		}
		cout << "MyArray的析构函数" << endl;
	}

private:
	T * pAddress;		//指针指向堆区开辟的真实的数组
	int m_Capacity;		//数组容量
	int m_Size;			//数组大小
};

main.cpp

#include<iostream>
#include<string>
#include"MyArray.hpp"
using namespace std;

void printArr(MyArray<int>& arr)
{
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++) {
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test0()
{
	MyArray<int> arr1(5);
	MyArray<int> arr2(arr1);
	MyArray<int> arr3(2);
	arr3 = arr1;
}

void test1()
{
	MyArray<int> arr(5);
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		//利用尾插法向数组中插入数据
		arr.PushBack(i);
	}

	cout << "arr的打印输出为：" << endl;
	printArr(arr);

	cout << "arr的容量为：" << arr.getCapacity() << endl;
	cout << "arr的大小为：" << arr.getSize() << endl;

	arr.PopBack();		//尾删
	cout << "arr尾删后的打印输出为：" << endl;
	printArr(arr);

	cout << "arr的容量为：" << arr.getCapacity() << endl;
	cout << "arr的大小为：" << arr.getSize() << endl;
}

//自定义测试数据类型
class Person {
public:
	Person(){}
	Person(string name, int age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	string m_Name;
	int m_Age;
};

void printPersonArr(MyArray<Person> &arr)
{
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++) {
		cout << "姓名：" << arr[i].m_Name << "  年龄：" << arr[i].m_Age << endl;
	}
}

void test2()
{
	MyArray<Person> arr(10);
	Person p1("fqy", 21);
	Person p2("wy", 21);
	Person p3("zsy", 24);
	Person p4("sys", 23);

	arr.PushBack(p1);
	arr.PushBack(p2);
	arr.PushBack(p3);
	arr.PushBack(p4);

	//打印数组
	printPersonArr(arr);
	cout << "arr的容量为：" << arr.getCapacity() << endl;
	cout << "arr的大小为：" << arr.getSize() << endl;
}

int main()
{
	test2();
}
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