..C++C++提高编程
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十九.模板

19 模板

模板是 C++ 中泛型编程的基础，它允许我们将类型作为参数，做到「一次编写，多处复用」。模板分为函数模板和类模板两种形式。

19.1 模板的基本语法

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指定，用虚拟的类型来表示。

语法：

1
2
template<typename T>
函数声明或定义
  • template：声明创建模板
  • typename：表明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

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;

//两个整数交换
void mySwap01(int& a, int& b)
{
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//函数模板
template<typename T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	//1、自动类型推导
	mySwap(a, b);
	cout << "a = " << a << " b = " << b << endl;

	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	mySwap(c, d);
	cout << "c = " << c << " d = " << d << endl;

	//2、显示指定类型
	int m = 100;
	int n = 200;
	mySwap<int>(m, n);
	cout << "m = " << m << " n = " << n << endl;
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	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。

19.2 函数模板注意事项

  • 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

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;

//函数模板
template<class T>
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 test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';

	mySwap(a, b); //正确,推导出一致的T
	//mySwap(a, c); //错误,推导不出一致的T类型
}

//2、模板必须确定出T的数据类型才可以使用
template<class T>
void func()
{
	cout << "调用func" << endl;
}

void test02()
{
	//func(); //错误,模板不能独立使用,必须确定出T的类型
	func<int>(); //利用显示指定类型的方式,给T一个类型,才可以使用该模板
}

int main() {

	test01();
	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

注意：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。

19.3 函数模板案例

利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同类型数组进行排序；排序规则从大到小，排序算法为选择排序。

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;

//交换的函数模板
template<typename T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//排序的模板(从大到小)
template<class T>
void mySort(T arr[], int len)
{
	for (int i = 0; i < len; i++)
	{
		int max = i; //认定最大值的下标
		for (int j = i + 1; j < len; j++)
		{
			//认定的最大值比遍历出的数值要小,说明j下标的元素才是真正的最大值
			if (arr[max] < arr[j])
			{
				max = j; //更新最大值下标
			}
		}
		if (max != i)
		{
			//交换两个元素
			mySwap(arr[max], arr[i]);
		}
	}
}

//打印数组的模板
template<class T>
void printArray(T arr[], int len)
{
	for (int i = 0; i < len; i++)
	{
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test01()
{
	//测试char数组
	char charArr[] = "badcfe";
	int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);
	mySort(charArr, num);
	printArray(charArr, num);
}

void test02()
{
	//测试int数组
	int intArr[] = { 7, 5, 1, 3, 9, 2, 4, 6, 8 };
	int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);
	mySort(intArr, num);
	printArray(intArr, num);
}

int main() {

	test01();
	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

19.4 普通函数与函数模板的区别

  • 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，如果是自动类型推导，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

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#include <iostream>
using namespace std;

//普通函数
int myAdd01(int a, int b)
{
	return a + b;
}

//函数模板
template<class T>
T myAdd02(T a, T b)
{
	return a + b;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';

	cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确,将char类型的c隐式转换为int
	//myAdd02(a, c); //错误,使用自动类型推导时不会发生隐式类型转换

	myAdd02<int>(a, c); //正确,如果显示指定类型,可以发生隐式类型转换
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

提示：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。

19.5 普通函数与函数模板的调用规则

调用规则如下：

  • 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
  • 可以通过空模板参数列表 myPrint<>(a, b); 来强制调用函数模板
  • 函数模板也可以发生重载
  • 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板

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#include <iostream>
using namespace std;

//普通函数与函数模板的调用规则
void myPrint(int a, int b)
{
	cout << "调用的普通函数" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b)
{
	cout << "调用的模板" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c)
{
	cout << "调用重载的模板" << endl;
}

void test01()
{
	//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：如果告诉编译器存在普通函数,但是只写了声明没实现,会报错
	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函数模板
	myPrint<>(a, b); //调用模板

	//3、函数模板也可以发生重载
	int c = 30;
	myPrint(a, b, c); //调用重载的模板

	//4、如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
	char c1 = 'a';
	char c2 = 'b';
	myPrint(c1, c2); //调用模板
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

总结：既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性。

19.6 模板的局限性

模板并不是万能的，有些特定数据类型，需要用具体化方式做特殊实现。

示例：比较两个 Person 对象是否相等，模板无法直接比较

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

class Person
{
public:
	Person(string name, int age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	string m_Name;
	int m_Age;
};

//对比两个数据是否相等
template<class T>
bool myCompare(T& a, T& b)
{
	if (a == b)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

//利用具体化Person的版本实现代码,具体化优先调用
template<> bool myCompare(Person& p1, Person& p2)
{
	if (p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

void test01()
{
	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() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

提示：利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化。

19.7 类模板基本语法

作用：建立一个通用类，类中的成员数据类型可以不具体指定，用一个虚拟的类型来代表。

语法：

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template<class T>
类

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:

	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;
	}

	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
};

void test01()
{
	//类模板必须显示指定类型
	Person<string, int> p1("孙悟空", 999);
	p1.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

19.8 类模板与函数模板区别

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

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

//类模板
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person
{
public:

	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;
	}

	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
};

void test01()
{
	//类模板没有自动类型推导
	//Person p("张三", 18); //错误,无法用自动类型推导
	Person<string, int> p("张三", 18); //正确,只能用显示指定类型
	p.showPerson();
}

void test02()
{
	//类模板在模板参数列表中可以有默认参数
	Person<string> p("李四", 20); //AgeType 使用默认的 int
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();
	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

19.9 类模板中成员函数创建时机

  • 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

示例：

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#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 T>
class MyClass
{
public:

	T obj;

	//类模板中的成员函数,并不是一开始就创建的,而是在模板调用时才生成
	void fun1()
	{
		obj.showPerson1();
	}

	void fun2()
	{
		obj.showPerson2();
	}
};

void test01()
{
	MyClass<Person1> m;
	m.fun1();

	//m.fun2(); //编译会报错,说明函数调用时才会去创建成员函数
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

19.10 类模板对象做函数参数

类模板实例化出的对象，向函数传参的方式有三种：

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

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:

	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄: " << this->m_Age << endl;
	}

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//1、指定传入的类型
void printPerson1(Person<string, int>& p)
{
	p.showPerson();
}

void test01()
{
	Person<string, int> p("孙悟空", 100);
	printPerson1(p);
}

//2、参数模板化
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>& p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T1 的类型为: " << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2 的类型为: " << typeid(T2).name() << endl;
}

void test02()
{
	Person<string, int> p("猪八戒", 90);
	printPerson2(p);
}

//3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T& p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T 的类型为: " << typeid(T).name() << endl;
}

void test03()
{
	Person<string, int> p("唐僧", 30);
	printPerson3(p);
}

int main() {

	test01();
	test02();
	test03();

	system("pause");

	return 0;
}

19.11 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意以下几点：

  • 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，子类也需要变为类模板

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
class Base
{
public:
	T m;
};

//class Son : public Base  //错误,C++ 编译器需要知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son : public Base<int> //必须指定一个类型
{
public:
};

void test01()
{
	Son c;
}

//如果想灵活指定父类中T类型,子类也需要变类模板
template<class T1, class T2>
class Son2 : public Base<T2>
{
public:

	Son2()
	{
		cout << "T1 的类型为: " << typeid(T1).name() << endl;
		cout << "T2 的类型为: " << typeid(T2).name() << endl;
	}

	T1 obj;
};

void test02()
{
	Son2<int, char> s;
}

int main() {

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

19.12 类模板成员函数类外实现

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

//类模板中成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:

	//成员函数声明
	Person(T1 name, T2 age);

	void showPerson();

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//构造函数类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}

//成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄: " << this->m_Age << endl;
}

void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 20);
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

注意：类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表。

19.13 类模板分文件编写

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。

解决方式：

  • 直接包含 Person.cpp 源码
  • 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)

示例：Person.hpp

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#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:

	Person(T1 name, T2 age);

	void showPerson();

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}

template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄: " << this->m_Age << endl;
}

主文件直接 #include "Person.hpp" 即可正常调用。

19.14 类模板与友元

  • 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

示例：

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#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

//通过全局函数打印Person信息

//提前声明
template<class T1, class T2>
class Person;

//类外实现的函数声明
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> p);

template<class T1, class T2>
class Person
{
	//全局函数类内实现
	friend void printPerson(Person<T1, T2> p)
	{
		cout << "姓名: " << p.m_Name << " 年龄: " << p.m_Age << endl;
	}

	//全局函数类外实现
	//加空模板参数列表
	friend void printPerson2<>(Person<T1, T2> p);

public:

	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

private:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//全局函数类内实现测试
void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 20);
	printPerson(p);
}

//全局函数类外实现
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> p)
{
	cout << "姓名: " << p.m_Name << " 年龄: " << p.m_Age << endl;
}

void test02()
{
	Person<string, int> p("Jerry", 18);
	printPerson2(p);
}

int main() {

	test01();
	test02();

	system("pause");

	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。