C++中的模板

本文介绍: 所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。编译器会对函数模板进行两次编译，在声明的地方对模板代码本身进行编译，在调用的地方对参数替换后的代码进行编译。如果是结构体，该假设也不成立，另外如果是传入的数组，数组名为地址，因此它比较的是地址，而这也不是我们所希望的操作。总之，编写的模板函数很可能无法处理某些类型，另一方面，有时候通用化是有意义的，但 C++为了解决这种问题，可以提供模板的重载，为这些特定的类型提供具体化的模板。

模板概论

c++提供了函数模板
(function template.)
所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就成为函数模板。凡是函数体相同的函数都可以用这个模板代替，不必定义多个函数，只需在模板中定义一次即可。在调用函数时系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现不同函数的功能。

c++
提供两种模板机制
:

函数模板和类模板

类属 –
类型参数化，又称参数模板

总结：

模板把函数或类要处理的数据类型参数化，表现为参数的多态性，成为类属。

模板用于表达逻辑结构相同，但具体数据元素类型不同的数据对象的通用行为。

函数模板

//交换 int 数据
void SwapInt(int&amp; a,int&amp; b){
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
//交换 char 数据
void SwapChar(char&amp; a,char&amp; b){
    char temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
//问题：如果我要交换 double 类型数据，那么还需要些一个 double 类型数据交换的函
数
//繁琐，写的函数越多，当交换逻辑发生变化的时候，所有的函数都需要修改，无形当中
增加了代码的维护难度
//如果能把类型作为参数传递进来就好了，传递 int 就是 Int 类型交换，传递 char 就是
    char 类型交换
//我们有一种技术，可以实现类型的参数化---函数模板
//class 和 typename 都是一样的，用哪个都可以
template&lt;class T&gt;
void MySwap(T&amp; a,T&amp; b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
void test01(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
    //1. 这里有个需要注意点，函数模板可以自动推导参数的类型
    MySwap(a,b);
    cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
    char c1 = 'a';
    char c2 = 'b';
    cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;
    //2. 函数模板可以自动类型推导，那么也可以显式指定类型
    MySwap<char&gt;(c1, c2);
    cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;
}

用模板是为了实现泛型，可以减轻编程的工作量，增强函数的重用性。

函数模板和普通函数区别

函数模板不允许自动类型转化

普通函数能够自动进行类型转化

//函数模板
template<class T&gt;
T MyPlus(T a, T b){
    T ret = a + b;
    return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a,char b){
    int ret = a + b;
    return ret;
}
void test02(){
    int a = 10;
    char b = 'a';
    //调用函数模板，严格匹配类型
    MyPlus(a, a);
    MyPlus(b, b);
    //调用普通函数
    MyPlus(a, b);
    //调用普通函数 普通函数可以隐式类型转换
    MyPlus(b, a);
    //结论：
    //函数模板不允许自动类型转换，必须严格匹配类型
    //普通函数可以进行自动类型转换
}

函数模板和普通函数在一起调用 规则

c++
编译器优先考虑普通函数

可以通过空模板实参列表的语法限定编译器只能通过模板匹配

函数模板可以像普通函数那样可以被重载

如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板

//函数模板
template<class T&gt;
T MyPlus(T a, T b){
    T ret = a + b;
    return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a, int b){
    int ret = a + b;
    return ret;
}
void test03(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    char c = 'a';
    char d = 'b';
    //如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数
    cout << MyPlus(a, b) << endl;
    //如果我必须要调用函数模板,那么怎么办?
    cout << MyPlus<&gt;(a, b) << endl;
    //此时普通函数也可以匹配，因为普通函数可以自动类型转换
    //但是此时函数模板能够有更好的匹配
    //如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
    cout << MyPlus(c,d);
}
//函数模板重载
template<class T&gt;
T MyPlus(T a, T b, T c){
    T ret = a + b + c;
    return ret;
}
void test04(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    int c = 30;
    cout << MyPlus(a, b, c) << endl;
    //如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数
}

模板机制 剖析

思考
:
为什么函数模板可以和普通函数放在一起
?c++
编译器是如何实现函数模板机制的？

编译 过程

hello.cpp 程序是高级
c
语言程序，这种程序易于被人读懂。为了在系统上运行 hello.c 程序，每一条
c
语句都必须转化为低级的机器指令。然后将这些机器指令打包成可执行目标文件格式，并以二进制形式存储于磁盘中。

预处理(Pre–processing) ->
编译
(Co mpi ling) ->
汇编
(Asse mb ling) ->
链接
(Linking)

模板实现机制

函数模板机制结论：

编译器并不是把函数模板处理成能够处理任何类型的函数

函数模板通过具体类型产生不同的函数

编译器会对函数模板进行两次编译，在声明的地方对模板代码本身进行编译，在调用的地方对参数替换后的代码进行编译。

模板的局限性

假设有如下模板函数：

template
<
class
T>

void
f(T a, T b)

{ … }

如果代码实现时定义了赋值操作 a = b
，但是
T
为数组，这种假设就不成立了同样，如果里面的语句为判断语句 if(a>b),
但
T
如果是结构体，该假设也不成立，另外如果是传入的数组，数组名为地址，因此它比较的是地址，而这也不是我们所希望的操作。

总之，编写的模板函数很可能无法处理某些类型，另一方面，有时候通用化是有意义的，但 C++
语法不允许这样做。为了解决这种问题，可以提供模板的重载，为这些特定的类型提供具体化的模板。

class Person
{
public:
    Person(string name, int age)
    {
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
    string mName;
    int mAge;
};
//普通交换函数
template <class T>
void mySwap(T &amp;a,T &amp;b)
{
    T temp = a;
    a = b; 
    b = temp;
}
//第三代具体化，显示具体化的原型和定意思以 template<>开头，并通过名称来指出类
型
//具体化优先于常规模板
template<>void mySwap<Person>(Person &amp;p1, Person &amp;p2)
{
    string nameTemp;
    int ageTemp;
    nameTemp = p1.mName;
    p1.mName = p2.mName;
    p2.mName = nameTemp;
    ageTemp = p1.mAge;
    p1.mAge = p2.mAge;
    p2.mAge = ageTemp;
}
void test()
{
    Person P1("Tom", 10);
    Person P2("Jerry", 20);
    cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;
    cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;
    mySwap(P1, P2);
    cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;
    cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;
}

类模板

类模板基本概念

类模板和函数模板的定义和使用类似，我们已经进行了介绍。有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同。

类模板用于实现类所需数据的类型参数化

template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:
    Person(NameType name, AgeType age)
    {
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
    void showPerson()
    {
        cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge    << endl;
    }
public:
    NameType mName;
    AgeType mAge;
};
void test01()
{
    //Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导
    Person<string, int>P1("德玛西亚", 18);
    P1.showPerson();
}

类模板做函数参数

//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person{
public:
    Person(NameType name, AgeType age){
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
void PrintPerson(){
        cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
public:
    NameType mName;
    AgeType mAge;
};
//类模板做函数参数
void DoBussiness(Person<string,int>& p){
    p.mAge += 20;
    p.mName += "_vip";
    p.PrintPerson();
}
int main(){
    Person<string, int> p("John", 30);
    DoBussiness(p);
    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

类模板派生普通类

//类模板
template<class T>
class MyClass{
public:
    MyClass(T property){
        this->mProperty = property;
    }
public:
    T mProperty;
};
//子类实例化的时候需要具体化的父类，子类需要知道父类的具体类型是什么样的
//这样 c++编译器才能知道给子类分配多少内存
//普通派生类
class SubClass : public MyClass<int>{
public:
    SubClass(int b) : MyClass<int>(20){
        this->mB = b;
    }
public:
    int mB;
};
1.7.4 类模板派生类模板
//父类类模板
template<class T>
class Base
{
    T m;
};
template<class T >
class Child2 : public Base<double> //继承类模板的时候，必须要确定基类的大小
{
public:
    T mParam;
};
void test02()
{
    Child2<int> d2;
}

类模板类内实现

template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:
    Person(NameType name, AgeType age)
    {
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
    void showPerson()
    {
        cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
    }
public:
    NameType mName;
    AgeType mAge;
};
void test01()
{
    //Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导
    Person<string, int>P1("德玛西亚", 18);
    P1.showPerson();
}

类模板类外实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Person{
public:
    Person(T1 name, T2 age);
    void showPerson();
public:
    T1 mName;
    T2 mAge;
};
//类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age){
    this->mName = name;
    this->mAge = age;
}
template<class T1, class T2>
    void Person<T1, T2>::showPerson(){
    cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
void test()
{
    Person<string, int> p("Obama", 20);
    p.showPerson();
}
int main(){
    test();
    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

类模板头文件和源文件 分离问题

Person.hpp

#pragma once
template<class T1,class T2>
class Person{
public:
    Person(T1 name,T2 age);
    void ShowPerson();
public:
    T1 mName;
    T2 mAge;
};
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age){
    this->mName = name;
    this->mAge = age;
}
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::ShowPerson(){
    cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}

main.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>
#include"Person.hpp"
//模板二次编译
//编译器编译源码 逐个编译单元编译的
int main(){
    Person<string, int> p("Obama", 20);
    p.ShowPerson();
    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

结论
:
案例代码在
qt
编译器顺利通过编译并执行，但是在
Linux
和
vs
编辑器下如果只包含头文件，那么会报错链接错误，需要包含 cpp
文件，但是如果类模板中有友元类，那么编译失败！

解决方案
:
类模板的声明和实现放到一个文件中，我们把这个文件命名为
.hpp(
这个是个约定的规则，并不是标准，必须这么写).

原因：

类模板需要二次编译，在出现模板的地方编译一次，在调用模板的地方再次编译。

C++编译规则为独立编译。

模板类碰到友元函数

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
#include <string>
template<class T1, class T2> class Person;
//告诉编译器这个函数模板是存在
template<class T1, class T2> void PrintPerson2(Person<T1, T2>& p);
//友元函数在类内实现
template<class T1, class T2>
class Person{
    //1. 友元函数在类内实现
    friend void PrintPerson(Person<T1, T2>& p){
    cout << "Name:" << p.mName << " Age:" << p.mAge << endl;
}
//2.友元函数类外实现
//告诉编译器这个函数模板是存在
friend void PrintPerson2<>(Person<T1, T2>& p);
//3. 类模板碰到友元函数模板
template<class U1, class U2>
friend void PrintPerson(Person<U1, U2>& p);
public:
    Person(T1 name, T2 age){
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
    void showPerson(){
        cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
    }
private:
    T1 mName;
    T2 mAge;
};
void test01()
{
    Person <string, int>p("Jerry", 20);
    PrintPerson(p);
}
// 类模板碰到友元函数
//友元函数类外实现 加上<>空参数列表，告诉编译去匹配函数模板
template<class T1 , class T2>
void PrintPerson2(Person<T1, T2>& p)
{
    cout << "Name2:" << p.mName << " Age2:" << p.mAge << endl;
}
void test02()
{
    Person <string, int>p("Jerry", 20);
    PrintPerson2(p); //不写可以编译通过，写了之后，会找 PrintPerson2 的普通函数调用，因为写了普通函数 PrintPerson2 的声明
}
int main(){
    //test01();
    test02();
    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

类模板的应用

设计一个数组模板类
(MyArray),
完成对不同类型元素的管理

#pragma once
template<class T>
class MyArray
{
public:
    explicit MyArray(int capacity)
    {
        this->m_Capacity = capacity;
        this->m_Size = 0;
        // 如果 T 是对象，那么这个对象必须提供默认的构造函数
        pAddress = new T[this->m_Capacity];
    }
    //拷贝构造
    MyArray(const MyArray & arr)
    {
        this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
        this->m_Size = arr.m_Size;
        this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
        for (int i = 0; i < this->m_Size;i++)
        {
            this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
        }
    }
    //重载[] 操作符 arr[0]
    T& operator [](int index)
    {
        return this->pAddress[index]; 
    }
    //尾插法
    void Push_back(const T & val)
    {
        if (this->m_Capacity == this->m_Size)
        {
            return;
        }
        this->pAddress[this->m_Size] = val;
        this->m_Size++;
    }
    void Pop_back()
    {
        if (this->m_Size == 0)
        {
            return;
        }
        this->m_Size--;
    }
    int getSize()
    {
        return this->m_Size;
    }
    //析构
    ~MyArray()
    {
        if (this->pAddress != NULL)
        {
            delete[] this->pAddress;
            this->pAddress = NULL;
            this->m_Capacity = 0;
            this->m_Size = 0;
        }
    }
private:
    T * pAddress; //指向一个堆空间，这个空间存储真正的数据
    int m_Capacity; //容量
    int m_Size; // 大小
};

测试代码：

class Person{
public:
    Person(){}
    Person(string name, int age){
        this->mName = name;
        this->mAge = age;
    }
public:
    string mName;
    int mAge;
};
void PrintMyArrayInt(MyArray<int>& arr){
    for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++){
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}
void PrintMyPerson(MyArray<Person>& personArr)
{
    for (int i = 0; i < personArr.getSize(); i++){
        cout << "姓名：" << personArr[i].mName << " 年龄： " << personArr[i].mAge << endl;
    }
}
void test01()
{
    MyArray<int> myArrayInt(10);
    for (int i = 0; i < 9; i++)
    {
        myArrayInt.Push_back(i);
    }
    myArrayInt.Push_back(100);
    PrintMyArrayInt(myArrayInt);
    MyArray<Person> myArrayPerson(10);
    Person p1("德玛西亚", 30);
    Person p2("提莫", 20);
    Person p3("孙悟空",18);
    Person p4("赵信", 15);
    Person p5("赵云", 24);
    myArrayPerson.Push_back(p1);
    myArrayPerson.Push_back(p2);
    myArrayPerson.Push_back(p3);
    myArrayPerson.Push_back(p4);
    myArrayPerson.Push_back(p5);
}