泛型编程的第一步，掌握模板的特性！
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认识
C++ 是很强大，有各种特性来提高代码的可重用性，有助于减少开发的代码量和工作量。
C++ 提高代码的可重用性主要有两方面：
- 继承
- 模板
继承的特性我已在前面篇章写过了「C++ 一篇搞懂继承的常见特性」。
本篇主要是说明「模板」的特性，使用「模板」的特性设计，实际上也就是「泛型」程序设计。
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函数模板
|| 01 变量交换函数模板
假设我们设计一个交换两个整型变量的值的函数，代码如下：
// 交换两个整型变量的值的Swap函数：
void Swap(int & x,int & y)
{
int tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}如果是浮点类型的变量的值交换，则需要把替换 int 类型为 double 即可，代码如下：
// 交换两个double型变量的值的Swap函数:
void Swap(double & x,double & y)
{
double tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}那如果是其他变量类型的值交换，那不是每次都要重新写一次 Swap 函数？是不是很繁琐？且代码后面会越来越冗余。
能否只写一个 Swap 函数，就能交换各种类型的变量？
答案是肯定有的，就是用「函数模板」来解决，「函数模板」的形式：
template <class 类型参数1，class 类型参数2，...>
返回值类型 模板名 (形参表)
{
函数体
};具体 Swap 「函数模板」代码如下：
template <class T>
void Swap(T & x,T & y)
{
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}template 就是模板定义的关键词，T 代表的是任意变量的类型。
那么定义好「函数模板」后，在编译的时候，编译器会根据传入 Swap 函数的参数变量类型，自动生成对应参数变量类型的 Swap 函数：
int main()
{
int n = 1,m = 2;
Swap(n,m); //编译器自动生成 void Swap(int & ,int & )函数
double f = 1.2,g = 2.3;
Swap(f,g); //编译器自动生成 void Swap(double & ,double & )函数
return 0;
}- 第 4 行编译器自动生成 void Swap(int &, int & ) 函数；
- 第 7 行编译器自动生成 void Swap(double &, double & ) 函数。
上面的实例化函数模板的例子，是让编译器自己来判断传入的变量类型，那么我们也可以自己指定函数模板的变量类型，具体代码如下：
int main()
{
int n = 1,m = 2;
Swap<int>(n,m); // 指定模板函数的变量类型为int
double f = 1.2,g = 2.3;
Swap<double>(f,g); // 指定模板函数的变量类型为double
return 0;
}- 第 4 行指定模板函数的变量类型为 int ；
- 第 7 行指定模板函数的变量类型为 double 。
— —
|| 02 查询数组最大值函数模板
在举一个例子，下面的 MaxElement 函数定义成了函数模板，这样不管是 int、double、char 等类型的数组，都可以使用该函数来查数组最大的值，代码如下：
// 求数组最大元素的MaxElement函数模板
template <class T>
T MaxElement(T a[], int size) // size是数组元素个数
{
T tmpMax = a[0];
for(int i = 1;i < size;++i)
{
if(tmpMax < a[i])
{
tmpMax = a[i];
}
}
return tmpMax;
}— —
|| 03 多个类型参数模板函数
函数模板中，可以不止一个类型的参数：
template <class T1, class T2>
T2 MyFun(T1 arg1, T2 arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
return arg2;
}T1 是传入的第一种任意变量类型，T2 是传入的第二种任意变量类型。
— —
|| 04 函数模板的重载
函数模板可以重载，只要它们的形参表或类型参数表不同即可。
见下面的例子：
// 模板函数 1
template<class T1, class T2>
void print(T1 arg1, T2 arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}
// 模板函数 2
template<class T>
void print(T arg1, T arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}
// 模板函数 3
template<class T,class T2>
void print(T arg1, T arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}上面都是 print(参数1, 参数2) 模板函数的重载，因为「形参表」或「类型参数表」名字不同。
— —
|| 05 函数模板和函数的次序
在有多个函数和函数模板名字相同的情况下，编译器如下规则处理一条函数调用语句：
- 先找参数完全匹配的普通函数（非由模板实例化而得的函数）；
- 再找参数完全匹配的模板函数；
- 再找实参数经过自动类型转换后能够匹配的普通函数；
- 上面的都找不到，则报错。
代码例子如下：
// 模板函数 - 1个参数类型
template <class T>
T Max(T a, T b)
{
cout << "TemplateMax" <<endl; return 0;
}
// 模板函数 - 2个参数类型
template <class T, class T2>
T Max(T a, T2 b)
{
cout << "TemplateMax2" <<endl; return 0;
}
// 普通函数
double Max(double a, double b)
{
cout << "MyMax" << endl;
return 0;
}
int main()
{
int i=4, j=5;
// 输出MyMax - 匹配普通函数
Max( 1.2, 3.4 );
//输出TemplateMax - 匹配参数一样的模板函
Max( i, j );
//输出TemplateMax2 - 匹配参数类型不同的模板函数
Max( 1.2, 3 );
return 0;
}- 第 27 行，输出的是MyMax，因为匹配的是普通函数；
- 第 30 行，输出的是输出TemplateMax，因为匹配参数一样的模板函；
- 第 33 行，输出的是TemplateMax2，因为匹配参数类型不同的模板函数。
匹配模板函数时，当模板函数只有一个参数类型时，传入了不同的参数类型，是不进行类型自动转换，具体例子如下：
// 模板函数 - 1个参数类型
template<class T>
T myFunction( T arg1, T arg2)
{
cout<<arg1<<" "<<arg2<<"\n";
return arg1;
}
...
// OK ：替换 T 为 int 类型
myFunction( 5, 7);
// OK ：替换 T 为 double 类型
myFunction(5.8, 8.4);
// error ：没有匹配到myFunction(int, double)函数
myFunction(5, 8.4);- 第 12 行，可以正常执行，替换 T 为 int 类型；
- 第 15 行，可以正常执行，替换 T 为 double 类型 ；
- 第 18 行，会执行错误！因为没有匹配到 myFunction(int, double)函数。
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类模板
|| 01 类模板的定义
为了多快好省地定义出一批相似的类，可以定义「类模板」，然后由类模板生成不同的类。
类模板的定义形式如下：
template <class 类型参数1，class 类型参数2，...> //类型参数表
class 类模板名
{
成员函数和成员变量
};用类模板定义对象的写法：
类模板名<真实类型参数表> 对象名(构造函数实参表);
— —|| 02 Pair类模板例子
接下来，用 Pair 类用类模板的方式的实现，Pair 是一对的意思，也就是实现一个键值对（key-value）的关系的类。
代码如下：
// 类模板
template <class T1, class T2>
class Pair
{
public:
Pair(T1 k, T2 v):m_key(k),m_value(v) {};
bool operator < (const Pair<T1,T2> & p) const;
private:
T1 m_key;
T2 m_value;
};
// 类模板里成员函数的写法
template <class T1, class T2>
bool Pair<T1,T2>::operator < (const Pair<T1,T2> &p) const
{
return m_value < p.m_value;
}
int main()
{
Pair<string,int> Astudent("Jay",20);
Pair<string,int> Bstudent("Tom",21);
cout << (Astudent < Bstudent) << endl;
return 0;
}输出结果：
1需要注意的是，同一个类模板的两个模板类是不兼容的：
Pair<string,int> *p;
Pair<string,double> a;
p = & a; //错误！！— —
|| 03 函数模板作为类模板成员
当函数模板作为类模板的成员函数时，是可以单独写成函数模板的形式，成员函数模板在使用的时候，编译器才会把函数模板根据传入的函数参数进行实例化，例子如下：
// 类模板
template <class T>
class A
{
public:
template<class T2>
void Func(T2 t) { cout << t; } // 成员函数模板
};
int main()
{
A<int> a;
a.Func('K'); //成员函数模板 Func被实例化
a.Func("hello"); //成员函数模板 Func再次被实例化
return 0;
}— —
|| 04 类模板与非类型参数
类模板的“<类型参数表>”中可以出现非类型参数：
template <class T, int size>
class CArray
{
public:
void Print( )
{
for( int i = 0;i < size; ++i)
cout << array[i] << endl;
}
private:
T array[size];
};
CArray<double,40> a2;
CArray<int,50> a3; //a2和a3属于不同的类— 4 —
类模板和派生
|| 01 类模板从类模板派生
上图的代码例子如下：
// 基类 - 类模板
template <class T1,class T2>
class A
{
T1 v1; T2 v2;
};
// 派生类 - 类模板
template <class T1,class T2>
class B:public A<T2,T1>
{
T1 v3; T2 v4;
};
// 派生类 - 类模板
template <class T>
class C:public B<T,T>
{
T v5;
};
int main()
{
B<int,double> obj1;
C<int> obj2;
return 0;
}— —
|| 02 类模板从模板类派生
上图的代码例子如下：
template <class T1,class T2>
class A
{
T1 v1; T2 v2;
};
template <class T>
class B:public A<int,double> // A<int,double> 模板类
{
T v;
};
int main()
{
//自动生成两个模板类 ：A<int,double> 和 B<char>
B<char> obj1;
return 0;
}- 第 16 行，在创建 B类 对象，会自动生成两个模板类 ：A<int,double> 和 B<char> 。
— —
|| 03 类模板从普通类派生
上图的代码例子如下：
// 基类 - 普通类
class A
{
int v1;
};
// 派生类 - 类模板
template <class T>
class B:public A // 所有从B实例化得到的类 ，都以A为基类
{
T v;
};
int main()
{
B<char> obj1;
return 0;
}- 第 16 行，在创建 B 类对象前，会先构造基类 A 对象。
— —
|| 04 普通类从模板类派生
上图的代码例子如下：
template <class T>
class A
{
T v1;
};
class B : public A<int>
{
double v;
};
int main()
{
B obj1;
return 0;
}- 第 14 行，在构造 B 类对象前，会先实例化 A 模板对象。
— 5 —
类模板与友元
|| 01 函数、类、类的成员函数作为类模板的友元
代码例子如下：
// 普通函数
void Func1() { }
// 普通类
class A { };
// 普通类
class B
{
public:
void Func() { } // 成员函数
};
// 类模板
template <class T>
class Tmp
{
friend void Func1(); // 友元函数
friend class A; // 友元类
friend void B::Func(); // 友元类的成员函数
}; // 任何从 Tmp 实例化来的类 ，都有以上三个友元任何从 Tmp 实例化来的类 ，都有以上三个友元。
— —
|| 02 函数模板作为类模板的友元
// 类模板
template <class T1,class T2>
class Pair
{
private:
T1 key; //关键字
T2 value; //值
public:
Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };
// 友元函数模板
template <class T3,class T4>
friend ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p);
};
// 函数模板
template <class T3,class T4>
ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p)
{
o << "(" << p.key << "," << p.value << ")" ;
return o;
}
int main()
{
Pair<string,int> student("Tom",29);
Pair<int,double> obj(12,3.14);
cout << student << " " << obj;
return 0;
}输出结果：
(Tom,29) (12,3.14)— —
|| 03 函数模板作为类的友元
// 普通类
class A
{
private:
int v;
public:
A(int n):v(n) { }
template <class T>
friend void Print(const T & p); // 函数模板
};
// 函数模板
template <class T>
void Print(const T & p)
{
cout << p.v;
}
int main()
{
A a(4);
Print(a);
return 0;
}输出结果：
4— —
|| 04 类模板作为类模板的友元
// 类模板
template <class T>
class B
{
private:
T v;
public:
B(T n):v(n) { }
template <class T2>
friend class A; // 友元类模板
};
// 类模板
template <class T>
class A
{
public:
void Func( )
{
B<int> o(10); // 实例化B模板类
cout << o.v << endl;
}
};
int main()
{
A<double> a;
a.Func ();
return 0;
}输出结果：
10— 6 —
类模板与静态成员函数
类模板中可以定义静态成员，那么从该类模板实例化得到的所有类，都包含同样的静态成员。
见下面的例子：
template <class T>
class A
{
private:
static int count; // 静态成员
public:
A() { count ++; }
~A() { count -- ; };
A( A & ) { count ++ ; }
static void PrintCount() // 静态函数
{
cout << count << endl;
}
};
template<> int A<int>::count = 0; // 初始化
template<> int A<double>::count = 0; // 初始化
int main()
{
A<int> ia;
A<double> da; // da和ia不是相同模板类
ia.PrintCount();
da.PrintCount();
return 0;
}输出：
1
1上面的代码需要注意的点：
- 类模板里的静态成员初始化的时候，最前面要加
template<>。 - ia 和 da 对象是不同的模板类，因为类型参数是不一致，所以也就是不同的模板类。
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原始发表：2020-02-04，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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