C++ 模板常見特性（函數模板、類模板）

時間  2020-01-10
標籤 c++ 模板 常見 特性 函數 欄目 C&C++ 简体版
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背景

C++ 是很強大，有各類特性來提升代碼的可重用性，有助於減小開發的代碼量和工做量。數組

C++ 提升代碼的可重用性主要有兩方面：bash

  • 繼承
  • 模板

繼承的特性我已在前面篇章寫過了，本篇主要是說明「模板」的特性。函數

使用「模板」的特性設計，實際上也就是「泛型」程序設計。ui

函數模板

01 變量交換函數模板

假設咱們設計一個交換兩個整型變量的值的函數，代碼以下：spa

// 交換兩個整型變量的值的Swap函數：
void Swap(int & x,int & y) {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
複製代碼

若是是浮點類型的變量的值交換，則替換 int 類型爲 double 便可，代碼以下：設計

// 交換兩個double型變量的值的Swap函數:
void Swap(double & x,double & y) {
    double tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
複製代碼

那若是是其餘變量類型的值交換，那不是每次都要從新寫一次 Swap 函數？是否是很繁瑣？且代碼後面會愈來愈冗餘。3d

可否只寫一個 Swap 函數，就能交換各類類型的變量？code

答案是確定有的，就是用「函數模板」來解決，「函數模板」的形式：cdn

template <class 類型參數1，class 類型參數2，...> 返回值類型 模板名 (形參表) {
    函數體
};
複製代碼

具體 Swap 「函數模板」代碼以下：對象

template 就是模板定義的關鍵詞，T 表明的是任意變量的類型。

template <class T> void Swap(T & x,T & y) {
    T tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
複製代碼

那麼定義好「函數模板」後，在編譯的時候，編譯器會根據傳入 Swap 函數的參數變量類型，自動生成對應參數變量類型的 Swap 函數：

int main() {
    int n = 1,m = 2;
    Swap(n,m); //編譯器自動生成 void Swap(int & ,int & )函數
    
    double f = 1.2,g = 2.3;
    Swap(f,g); //編譯器自動生成 void Swap(double & ,double & )函數
    
    return 0;
}
複製代碼

上面的實例化函數模板的例子，是讓編譯器本身來判斷傳入的變量類型，那麼咱們也能夠本身指定函數模板的變量類型，具體代碼以下：

int main() {
    int n = 1,m = 2;
    Swap<int>(n,m);     // 指定模板函數的變量類型爲int
    
    double f = 1.2,g = 2.3;
    Swap<double>(f,g); // 指定模板函數的變量類型爲double
    
    return 0;
}
複製代碼

02 查詢數組最大值函數模板

在舉一個例子，下面的 MaxElement 函數定義成了函數模板，這樣無論是 int、double、char 等類型的數組，均可以使用該函數來查數組最大的值，代碼以下：

// 求數組最大元素的MaxElement函數模板
template <class T> T MaxElement(T a[], int size) // size是數組元素個數 {
    T tmpMax = a[0];
    for(int i = 1;i < size;++i)
    {
        if(tmpMax < a[i])
        {
            tmpMax = a[i];
        }
    }
    return tmpMax;
}
複製代碼

03 多個類型參數模板函數

函數模板中，能夠不止一個類型的參數：

template <class T1, class T2> T2 MyFun(T1 arg1, T2 arg2) {
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
    return arg2;
}
複製代碼

T1 是傳入的第一種任意變量類型，T2 是傳入的第二種任意變量類型。

04 函數模板的重載

函數模板能夠重載，只要它們的形參表或類型參數表不一樣便可。

// 模板函數 1
template<class T1, class T2> void print(T1 arg1, T2 arg2) {
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}

// 模板函數 2
template<class T> void print(T arg1, T arg2) {
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}

// 模板函數 3
template<class T,class T2> void print(T arg1, T arg2) {
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}
複製代碼

上面都是 print(參數1, 參數2) 模板函數的重載，由於「形參表」或「類型參數表」名字不一樣。

05 函數模板和函數的次序

在有多個函數和函數模板名字相同的狀況下，編譯器以下規則處理一條函數調用語句：

  1. 先找參數徹底匹配的普通函數（非由模板實例化而得的函數）；
  2. 再找參數徹底匹配的模板函數；
  3. 再找實參數通過自動類型轉換後可以匹配的普通函數；
  4. 上面的都找不到，則報錯。

代碼例子以下：

// 模板函數 - 1個參數類型
template <class T> T Max(T a, T b) {
    cout << "TemplateMax" <<endl; return 0;
}

// 模板函數 - 2個參數類型
template <class T, class T2> T Max(T a, T2 b) {
    cout << "TemplateMax2" <<endl; return 0;
}

// 普通函數
double Max(double a, double b) {
    cout << "MyMax" << endl;
    return 0;
}

int main() {
    int i=4, j=5;
    
    // 輸出MyMax - 匹配普通函數
    Max( 1.2, 3.4 ); 
    
    //輸出TemplateMax - 匹配參數同樣的模板函
    Max( i, j );
    
    //輸出TemplateMax2 - 匹配參數類型不一樣的模板函數
    Max( 1.2, 3 );   
    
    return 0;
}
複製代碼

匹配模板函數時，當模板函數只有一個參數類型時，傳入了不一樣的參數類型，是不進行類型自動轉換，具體例子以下：

// 模板函數 - 1個參數類型
template<class T>
T myFunction( T arg1, T arg2)
{ 
    cout<<arg1<<" "<<arg2<<"\n"; 
    return arg1;
}

...

// OK ：替換 T 爲 int 類型
myFunction( 5, 7); 

// OK ：替換 T 爲 double 類型  
myFunction(5.8, 8.4);

// error ：沒有匹配到myFunction(int, double)函數
myFunction(5, 8.4); 
複製代碼

類模板

01 類模板的定義

爲了多快好省地定義出一批類似的類,能夠定義「類模板」，而後由類模板生成不一樣的類。

類模板的定義形式以下：

template <class 類型參數1，class 類型參數2，...> //類型參數表 class 類模板名 {
   成員函數和成員變量
};
複製代碼

用類模板定義對象的寫法：

類模板名<真實類型參數表> 對象名(構造函數實參表);
複製代碼

02 Pair類模板例子

接下來，用 Pair 類用類模板的方式的實現，Pair 是一對的意思，也就是實現一個鍵值對（key-value）的關係的類。

// 類模板
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;
};

// 類模板裏成員函數的寫法
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;
}
複製代碼

輸出結果：

1
複製代碼

須要注意的是，同一個類模板的兩個模板類是不兼容的：

Pair<string,int> *p;
Pair<string,double> a;
p = & a; //錯誤！！
複製代碼

03 函數模板做爲類模板成員

當函數模板做爲類模板的成員函數時，是能夠單獨寫成函數模板的形式，成員函數模板在使用的時候，編譯器纔會把函數模板根據傳入的函數參數進行實例化，例子以下：

// 類模板
template <class T> class A {
public:
    template<class T2> void Func(T2 t) { cout << t; } // 成員函數模板
};

int main() {
    A<int> a;
    a.Func('K');     //成員函數模板 Func被實例化
    a.Func("hello"); //成員函數模板 Func再次被實例化

    return 0;
} 
複製代碼

04 類模板與非類型參數

類模板的「<類型參數表>」中能夠出現非類型參數：

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屬於不一樣的類
複製代碼

類模板與派生

01 類模板從類模板派生

上圖的代碼例子以下：

// 基類 - 類模板
template <class T1,class T2> class A {
    T1 v1; T2 v2;
};

// 派生類 - 類模板
template <class T1,class T2> class B:public A<T2,T1> 
{
    T1 v3; T2 v4;
};

// 派生類 - 類模板
template <class T> class C:public B<T,T> 
{
    T v5;
};

int main() {
    B<int,double> obj1; 
    C<int> obj2;
    return 0;
}
複製代碼

02 類模板從模板類派生

上圖的代碼例子以下：

template <class T1,class T2> class A {
    T1 v1; T2 v2;
};

template <class T> class B:public A<int,double>  // A<int,double> 模板類
{
    T v;
};

int main() {
    //自動生成兩個模板類 ：A<int,double> 和 B<char>
    B<char> obj1;
    return 0;
}
複製代碼

03 類模板從普通類派生

上圖的代碼例子以下：

// 基類 - 普通類
class A {
    int v1;
};

// 派生類 - 類模板
template <class T> class B:public A  // 全部從B實例化獲得的類 ，都以A爲基類
{ 
    T v;
};

int main() {
    B<char> obj1;
    return 0;
}
複製代碼

04 普通類從模板類派生

上圖的代碼例子以下：

template <class T> class A {
    T v1;
};

class B:public A<int> 
{
    double v;
};

int main() {
    B obj1;
    return 0;
}
複製代碼

類模板與友元

01 函數、類、類的成員函數做爲類模板的友元

代碼例子以下：

// 普通函數
void Func1() { } 

// 普通類
class A { }; 

// 普通類
class B {
    public:
    void Func() { } // 成員函數
};

// 類模板
template <class T> class Tmp {
    friend void Func1();    // 友元函數
    friend class A;         // 友元類
    friend void B::Func();  // 友元類的成員函數
}; // 任何從 Tmp 實例化來的類 ，都有以上三個友元
複製代碼

02 函數模板做爲類模板的友元

// 類模板
template <class T1,class T2> class Pair {
private:
    T1 key;   //關鍵字
    T2 value; //值
public:
    Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };
    
    // 友元函數模板
    template <class T3,class T4> friend ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p); }; // 函數模板 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; } 複製代碼

輸出結果：

(Tom,29) (12,3.14)
複製代碼

03 函數模板做爲類的友元

// 普通類
class A {
private:
    int v;
public:
    A(int n):v(n) { }
    
    template <class T> friend void Print(const T & p); // 函數模板
};

// 函數模板
template <class T> void Print(const T & p) {
    cout << p.v;
}

int main() {
    A a(4);
    Print(a);
    return 0;
}
複製代碼

輸出結果：

4
複製代碼

04 類模板做爲類模板的友元

// 類模板
template <class T> class B {
private:
    T v;
public:
    B(T n):v(n) { }
    
    template <class T2> friend class A; // 友元類模板
};

// 類模板
template <class T> class A {
public:
    void Func( ) {
        B<int> o(10); // 實例化B模板類
        cout << o.v << endl;
    }
};

int main() {
    A<double> a;
    a.Func ();
    return 0;
}
複製代碼

輸出結果：

10
複製代碼

類模板與靜態成員變量

類模板中能夠定義靜態成員，那麼從該類模板實例化獲得的全部類，都包含一樣的靜態成員。

template <class T> class A {
private:
    static int count; // 靜態成員
public:
    A() { count ++; }
    ~A() { count -- ; };
    A( A & ) { count ++ ; }
    
    static void PrintCount() { cout << count << endl; } // 靜態函數
};

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不是相同模板類
    ia.PrintCount();
    da.PrintCount();
    return 0;
}
複製代碼

輸出：

1
1
複製代碼

上面的代碼須要注意的點：

  • 類模板裏的靜態成員初始化的時候，最前面要加template<>。
  • ia 和 da 對象是不一樣的模板類，由於類型參數是不一致，因此也就是不一樣的模板類。
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