CPP 核心编程8-模板

C++另一种编程思想称为 泛型编程 ，主要利用的技术就是模板

C++提供两种模板机制:函数模板和类模板

函数模板作用：

建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

语法：

template
函数声明或定义

解释：

template --- 声明创建模板

typename --- 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替

T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

#include "iostream"using namespace std;
void mySwap(int &a, int &b)
{int temp = a;a = b;b = temp;
}
void mySwap(double &a, double &b)
{double temp = a;a = b;b = temp;
}
//利用模板提供通用的交换函数
template 
void myTSwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}
void test()
{int a = 10;int b = 20;mySwap(a, b);cout << a << endl;cout << b << endl;double c = 10.2;double d = 20.3;mySwap(c, d);cout << c << endl;cout << d << endl;
}
void test2()
{char a = 'a';char b = 'b';// 1 自动类型推导myTSwap(a, b);cout << a << " " << b << endl;// 2 显示指定类型int c = 100;int d = 200;myTSwap(c, d);cout << c << " " << d << endl;
}int main()
{test();test2();return 0;
}

总结：

• 函数模板利用关键字 template
• 使用函数模板有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
• 模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化

1.2.2 函数模板注意事项

注意事项：

• 自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用

• 模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用

#include "iostream"using namespace std;
template 
void mySwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}
// 1、自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
void test()
{int a = 10;int b = 20;char c = 'c';mySwap(a, b); //正确,可以推导出一致的T// mySwap(a, c); //错误,推导不出一致的T
}// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template 
void func()
{cout << "func call" << endl;
}void test1()
{// func();//错误 模板不能独立使用,必须确定出T的类型func();    //利用显示置顶烈性的方式,给T一个类型,才可以使用改=该模板func(); //也可以
}
int main()
{test();test1();return 0;
}

总结：

• 使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型

1.2.3 函数模板案例

案例描述：

• 利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序
• 排序规则从大到小，排序算法为选择排序
• 分别利用char数组和int数组进行测试

#include "iostream"using namespace std;
template 
void mySort(T arr[], int len)
{for (int i = 0; i < len; i++){int maxIndex = i;for (int j = i + 1; j < len; j++){if (arr[maxIndex] < arr[j]){maxIndex = j;}}if (maxIndex != i){T temp = arr[maxIndex];arr[maxIndex] = arr[i];arr[i] = temp;}}
}
template 
void printArray(T arr[], int len)
{for (int i = 0; i < len; i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}
void test1()
{int arr[] = {32, 3243, 45, 564, 657, 23, 2};int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);mySort(arr, len);printArray(arr, len);
}
void test2()
{char arr[] = "qwefrhsb";int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);mySort(arr, len);printArray(arr, len);
}
int main()
{test1();test2();return 0;
}

总结：模板可以提高代码复用，需要熟练掌握

1.2.4 普通函数与函数模板的区别

普通函数与函数模板区别：

• 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
• 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
• 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换

#include "iostream"using namespace std;
//普通函数
int myAdd01(int a, int b)
{return a + b;
}
//函数模板
template 
T myAdd02(T a, T b)
{return a + b;
}
//使用函数模板时,如果用自动类型推导,不会发生自动类型转换,即隐式类型转换
void test1()
{int a = 10;int b = 20;char c = 'c';cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确,将char类型的隐式转换为int类型// cout << myAdd02(a, c) << endl; //错误,使用自动类型推导时,不会发生隐式类型转换cout << myAdd02(a, c) << endl; //正确，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}
int main()
{test1();return 0;
}

总结：建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T

1.2.5 普通函数与函数模板的调用规则

调用规则如下：

1. 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
2. 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
3. 函数模板也可以发生重载
4. 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板

#include "iostream"using namespace std;
//普通函数于模板函数调用规则
void myPrint(int a, int b)
{cout << "1调用的普通函数" << endl;
}
template 
void myPrint(T a, T b)
{cout << "2调用的模板函数" << endl;
}
template 
void myPrint(T a, T b, T c)
{cout << "3调用的模板函数" << endl;
}
void test1()
{// 1、如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数//  注意 如果告诉编译器  普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到int a = 10;int b = 20;myPrint(a, b); //调用普通函数// 2 可以通过空模板参数列表来强制调用模板函数myPrint<>(a, b);// 3、函数模板也可以发生重载int c = 30;myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板// 4 如果函数模板可以产生更好的匹配,有限调用函数模板char ch1 = 'a';char ch2 = 'b';myPrint(ch1, ch2); //调用函数模板 因为调用普通的,要发生隐式转换,所以编译器就优先调用函数模板
}
int main()
{test1();return 0;
}

1.2.6 模板的局限性

局限性：

• 模板的通用性并不是万能的

例如：

template
void f(T a, T b)
{ a = b;}

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了

再例如：

template
void f(T a, T b)
{ if(a > b) { ... }}

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行

因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

#include "iostream"using namespace std;
class Person
{
public:Person(string name, int age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}string m_Name;int m_Age;
};
//普通函数模板
template 
bool myCompare(T &a, T &b)
{return a == b;
}
//具体化,显示具体化的原型和以template<>开头,并通过名称来指出类型
//具体优化于常规模板
template <>
bool myCompare(Person &p1, Person &p2)
{return p1.m_Age == p2.m_Age && p1.m_Name == p2.m_Name;
}void test1()
{int a = 10;int b = 20;//内置数据类型可以直接使用通用的函数模板bool ret = myCompare(a, b);if (ret){cout << "a==b" << endl;}else{cout << "a!=b" << endl;}
}void test2()
{Person p1("Tom", 10);Person p2("Tom", 10);bool ret = myCompare(p1, p2);if (ret){cout << "p1==p2" << endl;}else{cout << "p1!=p2" << endl;}
}
int main()
{test1();test2();return 0;
}

总结：

• 利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
• 学习模板并不是为了写模板，而是在STL能够运用系统提供的模板

1.3 类模板

1.3.1 类模板语法

类模板作用：

• 建立一个通用类，类中的成员 数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

语法：

template
类

解释：

template --- 声明创建模板

typename --- 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替

T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

#include "iostream"using namespace std;
template 
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){m_Name = name;m_Age = age;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};
void test1()
{//置顶NameType 为string类型 AgeType 为 int 类型Person p1("孙悟空", 1000);p1.showPerson();
}void test2()
{
}
int main()
{test1();test2();return 0;
}

总结：类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板

1.3.2 类模板与函数模板区别

类模板与函数模板区别主要有两点：

1. 类模板没有自动类型推导的使用方式
2. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数

#include "iostream"using namespace std;
//类模板
template 
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->name = name;this->age = age;}void showPerson(){cout << " age: " << this->age << " name: " << this->name << endl;}NameType name;AgeType age;
};
// 1 类模板没有自动类型推导的使用方式
void test1()
{// Person p("孙悟空", 1000);错误 类模板使用时候 不可以用自动类型推导Person p("孙悟空", 1000);p.showPerson();
}
// 2 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test2()
{Person p("猪八戒", 999); //类模板中的模板参数列表 可以指定默认参数p.showPerson();
}
int main()
{test1();test2();return 0;
}

总结：

• 类模板使用只能用显示指定类型方式
• 类模板中的模板参数列表可以有默认参数

1.3.3 类模板中成员函数创建时机

类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的：

• 普通类中的成员函数一开始就可以创建
• 类模板中的成员函数在调用时才创建

#include "iostream"using namespace std;
class Person1
{
public:void showPerson1(){cout << "Person1 show" << endl;}
};
class Person2
{
public:void showPerson2(){cout << "Person2 show" << endl;}
};
template 
class MyClass
{
public:T obj;//类模板中的成员函数,并不是一开始就创建的,而是在模板调用时再生成void fun1(){obj.showPerson1();}void fun2(){obj.showPerson2();}
};
void test1()
{MyClass m;m.fun1();// m.fun2(); //编译会出错，说明函数调用才会去创建成员函数
}
int main()
{test1();return 0;
}

总结：类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建

1.3.4 类模板对象做函数参数

学习目标：

• 类模板实例化出的对象，向函数传参的方式

一共有三种传入方式：

1. 指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
2. 参数模板化 --- 将对象中的参数变为模板进行传递
3. 整个类模板化 --- 将这个对象类型 模板化进行传递

#include "iostream"using namespace std;
//类模板
template 
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Age = age;this->m_Name = name;}void showPerson(){cout << "age" << this->m_Age << " name:" << this->m_Name << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};
// 1 指定传入的类型
void printPerson1(Person &p)
{p.showPerson();
}
void test1()
{Person p("孙悟空", 1000);printPerson1(p);
}
// 2 参数模板化
template 
void printPerson2(Person &p)
{p.showPerson();cout << "T1的类型为： " << typeid(T1).name() << endl;cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
void test2()
{Person p("孙悟空", 1000);printPerson2(p);
}// 3 整个类模板化
template 
void printPerson3(T &p)
{p.showPerson();cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
}void test3()
{Person p("a", 100);printPerson3(p);
}
int main()
{test1();test2();test3();return 0;
}

总结：

• 通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
• 使用比较广泛是第一种：指定传入的类型

1.3.5 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意一下几点：

• 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型
• 如果不指定，编译器无法给子类分配内存
• 如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板

#include "iostream"using namespace std;
template 
class Base
{T m;
};
// class Son:public Base //错误 c++编译器需要给子类分配内存,必须知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son : public Base
{
};
void test()
{Son s;
}
//类模板继承类模板,可以用T2指定父类中的T类型
template 
class Son2 : public Base
{
public:Son2(){cout << typeid(T1).name() << endl;cout << typeid(T2).name() << endl;}
};
void test2()
{Son2 s;
}
int main()
{test();test2();return 0;
}
i
c

总结：如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型

1.3.6 类模板成员函数类外实现

学习目标：能够掌握类模板中的成员函数类外实现

#include "iostream"
using namespace std;
//类模板中成员函数类外实现
template 
class Person
{
public://成员函数类内声明Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};
//构造函数 类外实现
template 
Person::Person(T1 name, T2 age)
{m_Name = name;m_Age = age;
}//成员函数 类外实现
template 
void Person::showPerson()
{cout << "show person" << endl;
}void test()
{Person p("孙武", 100);p.showPerson();
}
int main()
{test();return 0;
}

总结：类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表

1.3.7 类模板分文件编写

学习目标：

• 掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式

问题：

• 类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到

解决：

• 解决方式1：直接包含.cpp源文件
• 解决方式2：将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制

person.hpp

#pragma once
#include "iostream"
using namespace std;template 
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();int m_Age;string m_Name;
};//构造函数 类外实现
template 
Person::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Age = age;this->m_Name = name;
}//成员函数 类外实现
template 
void Person::showPerson()
{cout << "name:" << this->m_Name << " age " << this->m_Age << endl;
}

mian.cpp

#include "person.hpp"void test()
{Person p("bob", 100);p.showPerson();
}
int main()
{test();return 0;
}

总结：主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp

1.3.8 类模板与友元

学习目标：

• 掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现

全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可

全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在

#include "iostream"
using namespace std;// 1 全局函数配合友元 类内实现
template 
class Person
{friend void showPerson(const Person &p){cout << "age " << p.mage << " name" << p.mname << endl;}public:Person(T1 name, T2 age){this->mage = age;this->mname = name;}private:int mage;string mname;
};
void test()
{Person p("bob", 22);showPerson(p);
}
int main()
{test();return 0;
}

#include "iostream"
using namespace std;template 
class Person;//如果声明了函数模板，可以将实现写到后面，否则需要将实现体写到类的前面让编译器提前看到
// template 
// void showPerson2(const Person &p);//这里放到Person类的前面,就不需要上面注释的 声明函数模板
template 
void showPerson2(const Person &p)
{cout << "age " << p.mage << " name" << p.mname << endl;
}template 
class Person
{// 1 全局函数配合友元 类内实现friend void showPerson(const Person &p){cout << "age " << p.mage << " name" << p.mname << endl;}//全局函数配合友元  类外实现// friend void showPerson2(const Person &p); 这是普通全局函数的友元 得加<>friend void showPerson2<>(const Person &p);public:Person(T1 name, T2 age){this->mage = age;this->mname = name;}private:int mage;string mname;
};void test1()
{Person p("bob", 22);showPerson(p);
}
void test2()
{Person p("wade", 33);showPerson2(p);
}//放到Person类的后面,就需要提前在类前面声明函数模板,让编译器知道
// template 
// void showPerson2(const Person &p)
// {
//     cout << "age " << p.mage << " name" << p.mname << endl;
// }int main()
{test1();test2();return 0;
}

总结：建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别