C++中的模板-编程知识

模板概论

c++提供了函数模板 (function template.) 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制定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就成为函数模板。凡是函数体相同的函数都可以用这个模板代替，不必定义多个函数，只需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，从而实现不同函数的功能。

c++ 提供两种模板机制 :

函数模板和类模板

类属 - 类型参数化，又称参数模板

总结：

模板把函数或类要处理的数据类型参数化，表现为参数的多态性，成为类属。

模板用于表达逻辑结构相同，但具体数据元素类型不同的数据对象的通用行为。

函数模板

//交换 int 数据
void SwapInt(int& a,int& b){int temp = a;a = b;b = temp;
}
//交换 char 数据
void SwapChar(char& a,char& b){char temp = a;a = b;b = temp;
}
//问题：如果我要交换 double 类型数据，那么还需要些一个 double 类型数据交换的函
数
//繁琐，写的函数越多，当交换逻辑发生变化的时候，所有的函数都需要修改，无形当中
增加了代码的维护难度
//如果能把类型作为参数传递进来就好了，传递 int 就是 Int 类型交换，传递 char 就是char 类型交换
//我们有一种技术，可以实现类型的参数化---函数模板
//class 和 typename 都是一样的，用哪个都可以
template<class T>
void MySwap(T& a,T& b){T temp = a;a = b;b = temp;
}
void test01(){int a = 10;int b = 20;cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;//1. 这里有个需要注意点，函数模板可以自动推导参数的类型MySwap(a,b);cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;char c1 = 'a';char c2 = 'b';cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;//2. 函数模板可以自动类型推导，那么也可以显式指定类型MySwap<char>(c1, c2);cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;
}

用模板是为了实现泛型，可以减轻编程的工作量，增强函数的重用性。

函数模板和普通函数区别

函数模板不允许自动类型转化

普通函数能够自动进行类型转化

//函数模板
template<class T>
T MyPlus(T a, T b){T ret = a + b;return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a,char b){int ret = a + b;return ret;
}
void test02(){int a = 10;char b = 'a';//调用函数模板，严格匹配类型MyPlus(a, a);MyPlus(b, b);//调用普通函数MyPlus(a, b);//调用普通函数 普通函数可以隐式类型转换MyPlus(b, a);//结论：//函数模板不允许自动类型转换，必须严格匹配类型//普通函数可以进行自动类型转换
}

函数模板和普通函数在一起调用规则

c++ 编译器优先考虑普通函数

可以通过空模板实参列表的语法限定编译器只能通过模板匹配

函数模板可以像普通函数那样可以被重载

如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板

//函数模板
template<class T>
T MyPlus(T a, T b){T ret = a + b;return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a, int b){int ret = a + b;return ret;
}
void test03(){int a = 10;int b = 20;char c = 'a';char d = 'b';//如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数cout << MyPlus(a, b) << endl;//如果我必须要调用函数模板,那么怎么办?cout << MyPlus<>(a, b) << endl;//此时普通函数也可以匹配，因为普通函数可以自动类型转换//但是此时函数模板能够有更好的匹配//如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板cout << MyPlus(c,d);
}
//函数模板重载
template<class T>
T MyPlus(T a, T b, T c){T ret = a + b + c;return ret;
}
void test04(){int a = 10;int b = 20;int c = 30;cout << MyPlus(a, b, c) << endl;//如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数
}

模板机制剖析

思考 : 为什么函数模板可以和普通函数放在一起 ?c++ 编译器是如何实现函数模板机制的？

编译过程

hello.cpp 程序是高级 c 语言程序，这种程序易于被人读懂。为了在系统上运行 hello.c 程序，每一条 c 语句都必须转化为低级的机器指令。然后将这些机器指令打包成可执行目标文件格式，并以二进制形式存储于磁盘中。

预处理(Pre-processing) -> 编译 (Compiling) -> 汇编 (Assembling) -> 链接 (Linking)

模板实现机制

函数模板机制结论：

编译器并不是把函数模板处理成能够处理任何类型的函数

函数模板通过具体类型产生不同的函数

编译器会对函数模板进行两次编译，在声明的地方对模板代码本身进行编译，在调用的地方对参数替换后的代码进行编译。

模板的局限性

假设有如下模板函数：

template < class T>

void f(T a, T b)

{ … }

如果代码实现时定义了赋值操作 a = b ，但是 T 为数组，这种假设就不成立了同样，如果里面的语句为判断语句 if(a>b), 但 T 如果是结构体，该假设也不成立，另外如果是传入的数组，数组名为地址，因此它比较的是地址，而这也不是我们所希望的操作。

总之，编写的模板函数很可能无法处理某些类型，另一方面，有时候通用化是有意义的，但 C++ 语法不允许这样做。为了解决这种问题，可以提供模板的重载，为这些特定的类型提供具体化的模板。

class Person
{
public:Person(string name, int age){this->mName = name;this->mAge = age;}string mName;int mAge;
};
//普通交换函数
template <class T>
void mySwap(T &a,T &b)
{T temp = a;a = b; b = temp;
}
//第三代具体化，显示具体化的原型和定意思以 template<>开头，并通过名称来指出类
型
//具体化优先于常规模板
template<>void mySwap<Person>(Person &p1, Person &p2)
{string nameTemp;int ageTemp;nameTemp = p1.mName;p1.mName = p2.mName;p2.mName = nameTemp;ageTemp = p1.mAge;p1.mAge = p2.mAge;p2.mAge = ageTemp;
}
void test()
{Person P1("Tom", 10);Person P2("Jerry", 20);cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;mySwap(P1, P2);cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;
}

类模板

类模板基本概念

类模板和函数模板的定义和使用类似，我们已经进行了介绍。有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同。

类模板用于实现类所需数据的类型参数化

template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->mName = name;this->mAge = age;}void showPerson(){cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge    << endl;}
public:NameType mName;AgeType mAge;
};
void test01()
{//Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导Person<string, int>P1("德玛西亚", 18);P1.showPerson();
}

类模板做函数参数

//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->mName = name;this->mAge = age;}
void PrintPerson(){cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
public:NameType mName;AgeType mAge;
};
//类模板做函数参数
void DoBussiness(Person<string,int>& p){p.mAge += 20;p.mName += "_vip";p.PrintPerson();
}
int main(){Person<string, int> p("John", 30);DoBussiness(p);system("pause");return EXIT_SUCCESS;
}

类模板派生普通类

//类模板
template<class T>
class MyClass{
public:MyClass(T property){this->mProperty = property;}
public:T mProperty;
};
//子类实例化的时候需要具体化的父类，子类需要知道父类的具体类型是什么样的
//这样 c++编译器才能知道给子类分配多少内存
//普通派生类
class SubClass : public MyClass<int>{
public:SubClass(int b) : MyClass<int>(20){this->mB = b;}
public:int mB;
};
1.7.4 类模板派生类模板
//父类类模板
template<class T>
class Base
{T m;
};
template<class T >
class Child2 : public Base<double> //继承类模板的时候，必须要确定基类的大小
{
public:T mParam;
};
void test02()
{Child2<int> d2;
}

类模板类内实现

template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->mName = name;this->mAge = age;}void showPerson(){cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;}
public:NameType mName;AgeType mAge;
};
void test01()
{//Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导Person<string, int>P1("德玛西亚", 18);P1.showPerson();
}

类模板类外实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Person{
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();
public:T1 mName;T2 mAge;
};
//类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age){this->mName = name;this->mAge = age;
}
template<class T1, class T2>void Person<T1, T2>::showPerson(){cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
void test()
{Person<string, int> p("Obama", 20);p.showPerson();
}
int main(){test();system("pause");return EXIT_SUCCESS;
}

类模板头文件和源文件分离问题

Person.hpp

#pragma once
template<class T1,class T2>
class Person{
public:Person(T1 name,T2 age);void ShowPerson();
public:T1 mName;T2 mAge;
};
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age){this->mName = name;this->mAge = age;
}
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::ShowPerson(){cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}

main.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>
#include"Person.hpp"
//模板二次编译
//编译器编译源码 逐个编译单元编译的
int main(){Person<string, int> p("Obama", 20);p.ShowPerson();system("pause");return EXIT_SUCCESS;
}

结论 : 案例代码在 qt 编译器顺利通过编译并执行，但是在 Linux 和 vs 编辑器下如果只包含头文件，那么会报错链接错误，需要包含 cpp 文件，但是如果类模板中有友元类，那么编译失败！

解决方案 : 类模板的声明和实现放到一个文件中，我们把这个文件命名为 .hpp( 这个是个约定的规则，并不是标准，必须这么写).

原因：

类模板需要二次编译，在出现模板的地方编译一次，在调用模板的地方再次编译。

C++编译规则为独立编译。

模板类碰到友元函数

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
#include <string>
template<class T1, class T2> class Person;
//告诉编译器这个函数模板是存在
template<class T1, class T2> void PrintPerson2(Person<T1, T2>& p);
//友元函数在类内实现
template<class T1, class T2>
class Person{//1. 友元函数在类内实现friend void PrintPerson(Person<T1, T2>& p){cout << "Name:" << p.mName << " Age:" << p.mAge << endl;
}
//2.友元函数类外实现
//告诉编译器这个函数模板是存在
friend void PrintPerson2<>(Person<T1, T2>& p);
//3. 类模板碰到友元函数模板
template<class U1, class U2>
friend void PrintPerson(Person<U1, U2>& p);
public:Person(T1 name, T2 age){this->mName = name;this->mAge = age;}void showPerson(){cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;}
private:T1 mName;T2 mAge;
};
void test01()
{Person <string, int>p("Jerry", 20);PrintPerson(p);
}
// 类模板碰到友元函数
//友元函数类外实现 加上<>空参数列表，告诉编译去匹配函数模板
template<class T1 , class T2>
void PrintPerson2(Person<T1, T2>& p)
{cout << "Name2:" << p.mName << " Age2:" << p.mAge << endl;
}
void test02()
{Person <string, int>p("Jerry", 20);PrintPerson2(p); //不写可以编译通过，写了之后，会找 PrintPerson2 的普通函数调用，因为写了普通函数 PrintPerson2 的声明
}
int main(){//test01();test02();system("pause");return EXIT_SUCCESS;
}

类模板的应用

设计一个数组模板类 (MyArray), 完成对不同类型元素的管理

#pragma once
template<class T>
class MyArray
{
public:explicit MyArray(int capacity){this->m_Capacity = capacity;this->m_Size = 0;// 如果 T 是对象，那么这个对象必须提供默认的构造函数pAddress = new T[this->m_Capacity];}//拷贝构造MyArray(const MyArray & arr){this->m_Capacity = arr.m_Capacity;this->m_Size = arr.m_Size;this->pAddress = new T[this->m_Capacity];for (int i = 0; i < this->m_Size;i++){this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];}}//重载[] 操作符 arr[0]T& operator [](int index){return this->pAddress[index]; }//尾插法void Push_back(const T & val){if (this->m_Capacity == this->m_Size){return;}this->pAddress[this->m_Size] = val;this->m_Size++;}void Pop_back(){if (this->m_Size == 0){return;}this->m_Size--;}int getSize(){return this->m_Size;}//析构~MyArray(){if (this->pAddress != NULL){delete[] this->pAddress;this->pAddress = NULL;this->m_Capacity = 0;this->m_Size = 0;}}
private:T * pAddress; //指向一个堆空间，这个空间存储真正的数据int m_Capacity; //容量int m_Size; // 大小
};

测试代码：

class Person{
public:Person(){}Person(string name, int age){this->mName = name;this->mAge = age;}
public:string mName;int mAge;
};
void PrintMyArrayInt(MyArray<int>& arr){for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}
void PrintMyPerson(MyArray<Person>& personArr)
{for (int i = 0; i < personArr.getSize(); i++){cout << "姓名：" << personArr[i].mName << " 年龄： " << personArr[i].mAge << endl;}
}
void test01()
{MyArray<int> myArrayInt(10);for (int i = 0; i < 9; i++){myArrayInt.Push_back(i);}myArrayInt.Push_back(100);PrintMyArrayInt(myArrayInt);MyArray<Person> myArrayPerson(10);Person p1("德玛西亚", 30);Person p2("提莫", 20);Person p3("孙悟空",18);Person p4("赵信", 15);Person p5("赵云", 24);myArrayPerson.Push_back(p1);myArrayPerson.Push_back(p2);myArrayPerson.Push_back(p3);myArrayPerson.Push_back(p4);myArrayPerson.Push_back(p5);
}