背景
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,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。
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:voidSwap(int&x,int&y){inttmp=x;x=y;y=tmp;}
如果是浮点类型的变量的值交换,则替换 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:voidSwap(double&x,double&y){doubletmp=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
就是模板定义的关键词,T
代表的是任意变量的类型。
template<classT>voidSwap(T&x,T&y){Ttmp=x;x=y;y=tmp;}
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:
intmain(){intn=1,m=2;Swap(n,m);//编译器自动生成 void Swap(int & ,int & )函数doublef=1.2,g=2.3;Swap(f,g);//编译器自动生成 void Swap(double & ,double & )函数return0;}
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:
intmain(){intn=1,m=2;Swap<int>(n,m);// 指定模板函数的变量类型为intdoublef=1.2,g=2.3;Swap<double>(f,g);// 指定模板函数的变量类型为doublereturn0;}
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<classT>TMaxElement(Ta[],intsize)// size是数组元素个数{TtmpMax=a[0];for(inti=1;i<size;++i){if(tmpMax<a[i]){tmpMax=a[i];}}returntmpMax;}
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<classT1,classT2>T2MyFun(T1arg1,T2arg2){cout<<arg1<<" "<<arg2<<endl;returnarg2;}
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。
// 模板函数 1template<classT1,classT2>voidprint(T1arg1,T2arg2){cout<<arg1<<" "<<arg2<<endl;}// 模板函数 2template<classT>voidprint(Targ1,Targ2){cout<<arg1<<" "<<arg2<<endl;}// 模板函数 3template<classT,classT2>voidprint(Targ1,Targ2){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: 1. 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); 2. 再找参数完全匹配的模板函数; 3. 再找实参数经过自动类型转换后能够匹配的普通函数; 4. 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<classT>TMax(Ta,Tb){cout<<"TemplateMax"<<endl;return0;}// 模板函数 - 2个参数类型template<classT,classT2>TMax(Ta,T2b){cout<<"TemplateMax2"<<endl;return0;}// 普通函数doubleMax(doublea,doubleb){cout<<"MyMax"<<endl;return0;}intmain(){inti=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);return0;}
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<classT>TmyFunction(Targ1,Targ2){cout<<arg1<<" "<<arg2<<"\n";returnarg1;}...// 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);
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。
// 类模板template<classT1,classT2>classPair{public:Pair(T1k,T2v):m_key(k),m_value(v){};booloperator<(constPair<T1,T2>&p)const;private:T1m_key;T2m_value;};// 类模板里成员函数的写法template<classT1,classT2>boolPair<T1,T2>::operator<(constPair<T1,T2>&p)const{returnm_value<p.m_value;}intmain(){Pair<string,int>Astudent("Jay",20);Pair<string,int>Bstudent("Tom",21);cout<<(Astudent<Bstudent)<<endl;return0;}
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<classT>classA{public:template<classT2>voidFunc(T2t){cout<<t;}// 成员函数模板};intmain(){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return0;}
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<classT,intsize>classCArray{public:voidPrint(){for(inti=0;i<size;++i)cout<<array[i]<<endl;}private:Tarray[size];};CArray<double,40>a2;CArray<int,50>a3;//a2和a3属于不同的类
类模板与派生
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<classT1,classT2>classA{T1v1;T2v2;};// 派生类 - 类模板template<classT1,classT2>classB:publicA<T2,T1>{T1v3;T2v4;};// 派生类 - 类模板template<classT>classC:publicB<T,T>{Tv5;};intmain(){B<int,double>obj1;C<int>obj2;return0;}
02 类模板从模板类派生
上图的代码例子如下:
template<classT1,classT2>classA{T1v1;T2v2;};template<classT>classB:publicA<int,double>// A 模板类 {Tv;};intmain(){//自动生成两个模板类 :A 和 B B<char>obj1;return0;}
03 类模板从普通类派生
上图的代码例子如下:
// 基类 - 普通类classA{intv1;};// 派生类 - 类模板template<classT>classB:publicA// 所有从B实例化得到的类 ,都以A为基类{Tv;};intmain(){B<char>obj1;return0;}
04 普通类从模板类派生
上图的代码例子如下:
template<classT>classA{Tv1;};classB:publicA<int>{doublev;};intmain(){Bobj1;return0;}
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voidFunc1(){}// 普通类classA{};// 普通类classB{public:voidFunc(){}// 成员函数};// 类模板template<classT>classTmp{friendvoidFunc1();// 友元函数friendclassA;// 友元类friendvoidB::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
02 函数模板作为类模板的友元
// 类模板template<classT1,classT2>classPair{private:T1key;//关键字T2value;//值public:Pair(T1k,T2v):key(k),value(v){};// 友元函数模板template<classT3,classT4>friendostream&operator<<(ostream&o,constPair<T3,T4>&p);};// 函数模板template<classT3,classT4>ostream&operator<<(ostream&o,constPair<T3,T4>&p){o<<"("<<p.key<<","<<p.value<<")";returno;}intmain(){Pair<string,int>student("Tom",29);Pair<int,double>obj(12,3.14);cout<<student<<" "<<obj;return0;}
输出结果:
(Tom,29)(12,3.14)
03 函数模板作为类的友元
// 普通类classA{private:intv;public:A(intn):v(n){}template<classT>friendvoidPrint(constT&p);// 函数模板};// 函数模板template<classT>voidPrint(constT&p){cout<<p.v;}intmain(){Aa(4);Print(a);return0;}
输出结果:
4
04 类模板作为类模板的友元
// 类模板template<classT>classB{private:Tv;public:B(Tn):v(n){}template<classT2>friendclassA;// 友元类模板};// 类模板template<classT>classA{public:voidFunc(){B<int>o(10);// 实例化B模板类cout<<o.v<<endl;}};intmain(){A<double>a;a.Func();return0;}
输出结果:
10
类模板与静态成员变量
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。
template<classT>classA{private:staticintcount;// 静态成员public:A(){count++;}~A(){count--;};A(A&){count++;}staticvoidPrintCount(){cout<<count<<endl;}// 静态函数};template<>intA<int>::count=0;// 初始化template<>intA<double>::count=0;// 初始化intmain(){A<int>ia;A<double>da;// da和ia不是相同模板类ia.PrintCount();da.PrintCount();return0;}
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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