C++ 模板常見特性（函數模板、類模板）
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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：微信
- 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。設計
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：3d
// 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;
}
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：code
// 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;
}
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。對象
可否只寫一個 Swap 函數，就能交換各類類型的變量？blog
答案是確定有的，就是用「函數模板」來解決，「函數模板」的形式：繼承
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
};
具體 Swap 「函數模板」代碼以下：
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;
}
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;
}
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;
}
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;
}
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;
}
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;
}
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：
- 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）；
- 再找參數徹底匹配的模板函數；
- 再找實參數通過自動類型轉換後可以匹配的普通函數；
- 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;
}
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);
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
};
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);
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;
}
輸出結果：
1
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！！
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;
}
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
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;
}
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;
}
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;
}
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;
}
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
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;
}
輸出結果：
(Tom,29) (12,3.14)
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;
}
輸出結果：
4
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;
}
輸出結果：
10
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;
}
輸出：
1 1
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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