26.C++- 泛型编程之类模板(详解)

在上章25.C++- 泛型编程之函数模板(详解) 学习了后,本章继续来学习类模板

类模板介绍

和函数模板一样,将泛型思想应用于类.

编译器对类模板处理方式和函数模板相同,都是进行2次编译

类模板通常应用于数据结构方面,使得类的实现不在关注数据元素的具体类型,而只关注需要实现的功能

比如: 数组类,链表类,Queue类,Stack类等

使用方法

  • 通过template关键字来声明,然后通过typename关键字来定义模板类型,如下图所示:

类模板的使用

  • 定义对象时,必须指定类模板类型,因为编译器无法推导类型
  • 使用具体类型<Type>来定义对象

如下图所示:

初探类模板

写一个类模板,实现不同类型的加减乘除

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template < typename T >
class Operator
{
public:
     T add(T a, T b)
    {
        return a + b;
    }

     T minus(T a, T b)
    {
        return a - b;
    }

     T multiply(T a, T b)
    {
        return a * b;
    }

     T divide(T a, T b)
    {
        return a / b;
    }
};

string operator-(string& l, string& r)   //由于string类没有重载减号操作符,所以我们自定义一个
{
    return "Minus";
}

int main()
{
    Operator<int>  op1;            //定义对象时,需要指定类模板类型
    cout << op1.add(1, 2) << endl;          

    Operator<string>  op2;         //定义对象时,需要指定类模板类型
    cout << op2.add("D.T.", "Software") << endl;
    cout << op2.minus("D.T", "Software") << endl;
    return 0;
}

运行打印:

3
D.T. Software
Minus

类模板的工程应用

  • 类模板必须在.h头文件中定义
  • 类模板的成员函数不能分开在不同的文件中实现
  • 类模板外部定义的成员函数,和模板函数一样,还需要加上模板template <typename T>声明

接下来,我们便修改上面代码定义的Operator类模板,只需要写Operator.h文件即可:

#ifndef  _OPERATOR_H
#define _OPERATOR_H

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b);
    T minus(T a, T b);
    T multiply(T a, T b);
    T divide(T a, T b);
};

template < typename T >           //外部定义的成员函数,都需要加上模板声明
T  Operator<T> :: add(T a, T b)
{
       return a+b;
}

template < typename T >          
T  Operator<T> :: minus(T a, T b)
{
       return a-b;
}

template < typename T >          
T  Operator<T> :: multiply(T a, T b)
{
       return a*b;
}

template < typename T >          
T  Operator<T> :: divide(T a, T b)
{
       return a/b;
}

#endif

多参数类模板

类模板可以定义任意多个不同的类型参数,同时还要必须指定每个模板参数

例如:

template < typename T1,typename T2 >
class Operator
{
public:
    void add(T1 a, T2 b);
};

template < typename T1,typename T2 >
void Operator<T1,T2 > :: add(T1 a, T2 b)
{
        cout<<a+b<<endl;
}

int main()
{
    Operator<int,float> op1;                 //定义op1对象时,必须指定类模板类型
    op1.add(2,2.1);                                  //4.1
    return 0;
}

运行打印:

4.1

从结果来看,上面的类模板好像已经实现了add加法运算.但是却不能支持指针类型.

其实,类模板也可以像函数重载一样, 类模板通过特化的方式可以实现特殊情况.

类模板特化

  • 表示可以存在多个相同的类名,但是模板类型都不一致(和函数重载的参数类似)
  • 特化类型有完全特化部分特化两种类型
  • 完全特化表示显示指定类型参数,模板声明只需写成template<>,并在类名右侧指定参数,比如:
template < typename T1,typename T2 >  //声明的模板参数个数为2个
class Operator                        //正常的类模板
{
public:
        void add(T1 a, T2 b)
       {
              cout<<a+b<<endl;
       }
};

template <>                           //不需要指定模板类型,因为是完全特化的类模板
class Operator< int , int>           //指定类型参数,必须为2个参数,和正常类模板参数个数一致

{                                               

public:

void add(int a, int b)

{

cout<<a+b<<endl;

}

};

int main()

{

       Operator<int,int> Op1;        //匹配完全特化类模板:class Operator< int,int>

       Operator<int,float> Op2;     //匹配正常的类模板

       return 0;

}
  • 部分特化表示通过特定规则约束类型参数,模板声明和类似,并在类名右侧指定参数,比如:
template < typename T1,typename T2 >           //声明的模板参数个数为2个
class Operator                                 //正常的类模板
{
public:
        void add(T1 a, T2 b)
       {
              cout<<a+b<<endl;
       }
};

 

template < typename T >          //有指定模板类型以及指定参数,所以是部分特化的类模板             
class Operator< T* ,T*>          //指定类型参数,必须为2个参数,和正常类模板参数个数一致
{
public:
  void add(T* a, T* b)
  {
              cout<<*a+*b<<endl;
  }
};

int main()
{
     Operator<int*,int*> Op1;            //匹配部分特化: class Operator< T* ,T*>
     Operator<int,float> Op2;           //匹配正常的类模板: class Operator     
return 0;
}
  • 编译时,会根据对象定义的类模板类型,首先去匹配完全特化,再来匹配部分特化,最后匹配正常的类模板.

初探类模板特化

#include <iostream>

using namespace std; 

template < typename T1,typename T2 >  
class Operator                                            //正常的类模板
{
public:
        void add(T1 a, T2 b)
       {
              cout<<"add(T1 a, T2 b)"<<endl;
              cout<<a+b<<endl;
       }
};

template < typename T >                              
class Operator<T,T>                                //部分特化的类模板,当两个参数都一样,调用这个
{
public:
         void add(T a, T b)
       {
              cout<<"add(T a, T b)"<<endl;
              cout<<a+b<<endl;
       }
};

template < typename T1,typename T2 >  
class Operator<T1*,T2*>                                   //部分特化的类模板,当两个参数都是指针,调用这个
{
public:
        void add(T1* a, T2* b)
       {
              cout<<"add(T1* a, T2* b)"<<endl;
              cout<<*a+*b<<endl;
       }
};

template < >  
class Operator<void*,void*>                             //完全特化的类模板,当两个参数都是void*,调用这个
{
public:
        void add(void* a, void* b)
       {
              cout<<"add(void* a, void* b)"<<endl;
              cout<<"add void* Error"<<endl;                 //void*无法进行加法
       }
};

int main()
{
       int *p1 = new int(1);
       float *p2 = new float(1.25);

       Operator<int,float>  Op1;        //匹配正常的类模板:class Operator      
       Op1.add(1,1.5);

       Operator<int,int>  Op2;          //匹配部分特化的类模板:class Operator<T,T>
       Op2.add(1,4);

       Operator<int*,float*>  Op3;      //匹配部分特化的类模板:class Operator<T1*,T2*>      
       Op3.add(p1,p2);

       Operator<void*,void*>  Op4;      //匹配完全特化的类模板:class Operator<void*,void*>
       Op4.add(NULL,NULL);  

       delete p1;
       delete p2;

       return 0;
}

运行打印:

add(T1 a, T2 b)
2.5

add(T a, T b)
5

add(T1* a, T2* b)
2.25

add(void* a, void* b)
add void* Error

数值型模板参数

之前,我们学习的模板参数都是带泛型的(表示不同类型),其实模板参数也可以是数值型参数,如下图所示:

  • 数值型模板参数必须在编译时被唯一确定

比如: 变量在运行期间是可变的,所以不能作为模板参数.以及浮点数(不精确),类对象(可变)等等.

接下来,我们便通过数值参数的类模板来求 1+2+3+...+N的值

代码如下所示:

template < int N >
class Sum
{
public:
    static const int VALUE = Sum<N-1>::VALUE + N;              //定义静态常量并赋值
};

template < >
class Sum < 1 >
{
public:
    static const int VALUE = 1;
};

int main()
{
    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 10 = " << Sum<10>::VALUE << endl;
    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 100 = " << Sum<100>::VALUE << endl;
    return 0;
}

运行打印:

1 + 2 + 3 + ... + 10 = 55
1 + 2 + 3 + ... + 100 = 5050

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