C++ 实现 STL 标准库和算法（二）template 编程和迭代器粗解 实验楼笔记

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一、template 编程和迭代器粗解

1.1 实验内容

本节内容主要讲述 c++11 模板的用法，以后的代码中会大量的用到模板的知识。同时简单讲解迭代器的相关知识，为后面容器和算法的内容作铺垫。

1.2 实验知识点

• 模板编程
  • 基本语法
  • 模板函数
  • 类模板和成员模板
  • 模板类中的静态成员
  • typename和class
• 迭代器
  • 迭代器详解
  • 迭代器种类和使用

基本语法

模板编程是 STL 的基石，也是 c++11 的核心特性之一。模板是相对于编译器而言，顾名思义就是向编译器提供一个处理事务的模板，以后需要处理的东西，如果都是这个事务类型，那么统统用这个模板处理。

三、函数模板

模板的基本语法如下：

template <typename/class T>

template 告诉编译器，接下来是一个模板 ，typename 和 class 都是关键字，在这里二者可以互用没有区别。在< >中 T 叫做模板形参，一旦模板被实例化，T 也会变成具体的类型。接下来，我们看一个例子。

代码实例：

template <typename T>
T add(const T lva ,const T rva)
{
T a ;
a = lva + rva ;
return a;
}

这是一个模板函数的简单实例，所有模板函数在开始都需要 template 语句，以告诉编译器这是一个模板和参数等必要信息，当然里面的 T 可以取任意你喜欢的名字 ，模板参数个数也是任意更换的。 还要提醒的一点是：template <typename T1 ,typename T2 = int>函数模板是支持默认参数的，T1 、T2顺序在默认情况下是可以任意的，不用严格按照从右到左的顺序。

然后就是使用了，我们可以写出add(1,2) 这样的函数,也可以写出add(2.5,4.6)这样的函数，向 add 函数提供参数时，编译器会自动分析参数的类型，然后将所有用到 T 定义的换成相对性的类型，以上的两个函数在编译期间会生成

int add(const int lva ,const int rva)
{
int a ;
a = lva + rva ;
return a;
}
double add(const double lva ,const double rva)
{
double a ;
a = lva + rva ;
return a;
}

这样的两个具体函数。如果我们使用add(1,2.0)是会报错的，编译器无法找到add(int,double)。大家可以自己分析一下为什么。

四、类模板和成员模板

类模版

c++11 不仅支持对函数的模板化，也支持对类的模板，下面来看基本的语法是怎样的：

template <class T>
class Myclass
{
T a;
public:
T add(const T lva ,const T rva);
};
template <class T>
T Myclass<T>::add(const T lva, const T rva)
{
a = lva + rva;
return a;
}

这是一个简单并且典型的类模板，在程序中给出模板并不能使用它，还必须实例化，比如：

Myclass<int> A； //用 int 实例化一个类A

Myclass<double> B； //用 double 实例化一个类B

当程序编译到这里时就会按照我们给出的类型，声明两组类和两组类函数。注意，在这里我们一定要显式给出类型 T 。类模板不像是函数模板 ，函数模板会根据参数推断类型。 当然类模板也支持默认参数，但是类模板必须严格从右往左默认化。

成员模板

模板的使用范围是广泛的，不仅可以用作函数模板，类模板，还可以用作 class ，struct ，template class 的成员。而要实现 STL 这是我们必须掌握和使用的特性。我们先看一个简单的例子,用上面的类改编而来：

template <class T>
class Myclass
{
public:
T a;
template <typename type_1 , typename type_2>
type_1 add(const type_1 lva ,const type_2 rva);
};
template <class T>
template <typename type_1,typename type_2>
type_1 Myclass<T>::add(const type_1 lva, const type_2 rva)
{
a = lva + rva;
return a;
}

在类的声明中使用了一个嵌套的模板声明。且通过作用域运算符 :: 指出 add 是类的成员，需要注意的一点，有些编译器不支持模板成员，而有些编译器不支持在类外定义。我们默认大家的编译器都支持。模板如此强大，甚至允许我们在模板类中再建立模板类：

template <class T>
class Myclass
{
public:
T a;
template <typename type_1 , typename type_2>
type_1 add(const type_1 lva ,const type_2 rva);
template <class type_3>
class Myclass_2; // 声明放在这里，具体定义放在类外进行。
Myclass_2<T> C; // 定义一个Myclass_2 类 A。使用 T 进行实例化
};
template <class T>
template <typename type_1,typename type_2>
type_1 Myclass<T>::add(const type_1 lva, const type_2 rva)
{
a = lva + rva;
return a;
}
template <class T>
template <class type_3>
class Myclass<T>::Myclass_2
{
public:
type_3 value;
type_3 sub(const type_3 a , const type_3 b) {vlaue = a - b;}
};

当然我们暂时还用不到这样复杂的东西，这里只是展现了模板的部分特性。

五、模板类中的静态成员

我们知道，在类中定义的静态成员是存储在静态区中，被所有类对象共享，并不属于某一个类所有，同样的在模板类中的静态成员也不会被复制多份，而是被同类实例化的类对象共享，比如所有 int 和所有 double 的类对象，享有相互独立的静态变量。也可以说是编译器生成了 int 和 double 两个版本的类定义。

六、typename 和 class

typename和class是模板中经常使用的两个关键词 ，在模板定义的时候没有什么区别。以前用的是 class，后来 c++ 委员会加入了 typename。因为历史原因，两个是可以通用的。对有些程序员来说，在定义类模板的时候，常常使用 class 作为关键字，增加代码可读性。其它则用 typename，上面的代码大都遵循这样的标准，但是并无强制规定。但是如果二者没有差别，为什么还要加入typename呢？c++标准委员会不会增加无用的特性，让我们来看一个例子：

class Myclass{
public:
Myclass();
typedef int test; //定义类型别名
}
template <class T>
class Myclass2{
public:
Myclass2();
T::test *a // 声明一个指向T::test类型的指针。
// typename T::test * a
}

以上的代码没有全部写完，大家觉得编译器能够过吗？答案是不能,因为在 c++ 中，允许我们在类中定义一个类型别名，且使用的时候和类名访问类成员的方法一样。这样编译器在编译的时候就会产生二义性，它根本不知道这是一个类型还是别名，所以我们加上 typename 显式说明出来。当然如果这里没有二义性，比如Myclass ::test * a ,加上 typename 是会报错的。此外，在 class 的 STL 底层还有一个特性，用于保留模板参数，但是在 c++17 中已经舍弃，所以我们没有讲。

七、实验总结

模板是 c++ 最重要的特性之一，模板函数、模板类、类中的模板函数、类中的模板类、模板类中的模板类等等，可以写出太多强大的代码，这也是模板的魅力所在，而 STL 就是基于模板的，大家一定要掌握模板的基本用法。

引用《c++ primer》, 《STL 源码解析》