C++ 函数模板与类模板

C++最重要的特性之一就是代码重用，为了实现代码重用，代码必须具有通用性。通用代码应不受数据类型的影响，并且可以自动适应数据类型的变化。这种程序设计类型称为参数化程序设计。模板是C++支持参数化程序设计的工具，通过它可以实现参数化多态性。所谓参数化多态性，就是将程序所处理的对象的类型参数化，使得一段程序可以用于处理多种不同类型的对象。

1.函数模板

通过函数重载，可以看出重载函数通常是对于不同的数据类型完成类似的操作。很多情况下，一个算法是可以处理多种数据类型的。但是用函数实现算法时，即使设计为重载函数也只是使用相同的函数名，函数体仍然要分别定义。

下面是两个求绝对值的函数：

int abs(int x)
{return x < 0 ? -x : x;
}double abs(double x)
{return x < 0 ? -x : x;
}

这两个函数只有参数类型和返回类型不同，功能完全一样。类似这样的情况，我们需要写一段通用的代码是用于多种不同的数据类型，这样会使代码的可重用性大大提高，从而提高软件的开发效率。使用函数模板就是为了达到这一目的。程序员只对函数模板编写一次，然后基于调用函数时提供的参数类型，C++编译器将自动产生相应的函数来正确地处理该类型的数据。

（1）函数模板的定义形式为

template <模板参数表>
类型名 函数名(参数表)
{函数体定义
}

所有函数模板的定义都是用关键字template开始的，该关键字之后是用尖括号<>括起来的“模板参数表”。模板参数表由用逗号隔开的模板参数构成，可以包括以下内容：

①class（或typedef）标识符，指明可以接收一个类型参数。这些类型参数代表的是类型，可以是内部类型或者自定义类型。
②“类型说明符”标识符，指明可以接收一个由“类型说明符”所规定类型的常量作为参数。
③template<参数表>class标识符，指明可以接收一个类模板名作为参数。

类型参数可以用来指定函数模板本身的形参类型、返回值类型，以及声明函数中的局部变量。函数模板中函数体的定义方式与定义普通函数类似。

【例1】求绝对值的函数模板

template<class T>
T abs(T x)
{return x < 0 ? -x : x;
}
int main()
{int n = -5;cout << abs(n) << endl;double m = -6.8;cout << abs(m) << endl;return 0;
}

运行结果：

分析：

①在上述主函数中调用abs()时，编译器从实参的类型推导出函数模板的类型参数。

②当类型参数的含义确定后，编译器将以函数模板为样板，生成一个函数，这一过程称为函数模板的实例化。

例如，对于调用表达式abs(n)，由于实参n是int类型，所以推导出函数模板中类型参数T为int，接着，编译器以函数模板为样板，生成如下函数，该函数为函数模板abs的一个实例：

int abs(int x)
{return x < 0 ? -x : x;
}

同样，对于调用表达式abs(m)，由于实参m是double型，所以推导出函数模板中类型参数T为double，接着，编译器以函数模板为样板，生成如下函数：

double abs(double x)
{return x < 0 ? -x : x;
}

③因此，当主函数第一次调用abs时，执行的实际上是由函数模板生成的函数int abs(int x);，主函数第二次调用abs时，执行的实际上是由函数模板生成的函数double abs(double x);。

【例2】函数模板示例

template<class T>
void outputA(const T* arr, int n)
{for (int i = 0;i < n; i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}int main()
{const int A_n = 5;const int B_n = 6;const int C_n = 7;int arr[A_n] = { 1,2,3,4,5 };cout << "输出数组arr的内容:" << "   ";outputA(arr, A_n);double brr[B_n] = { 1.1,2.2,3.3,4.4,5.5,6.6 };cout << "输出数组brr的内容:" << "   ";outputA(brr, B_n);char crr[C_n] = "Hi yyn";cout << "输出数组crr的内容:" << "   ";outputA(crr, C_n);return 0;
}

运行结果：

分析：

函数模板中声明了类型参数T，表示一种抽象的类型。当编译器检测到程序中调用函数模板outputA时，便用outputA的第一个实参的类型替换掉整个模板定义中的T，并建立用来输出指定类型数组的一个完整的函数，然后再编译这个新建的函数。

主函数中声明了3中不同类型的数组，int型数组arr，double型数组brr和char型数组crr，长度分别为5，6，7。然后调用函数模板生成相应的函数，最后在屏幕上输出每个数组。编译过程中针对3种数据类型生成的函数如下：

outputA(a,A_n);//适用于int类型的outputA模板函数
outputA(b,B_n);//适用于double类型的outputA模板函数
outputA(c,C_n);//适用于char类型的outputA模板函数

由上例可以看出，模板函数与重载密切相关。从函数模板产生的相关函数都是同名的，编译器用重载的方法调用相应的函数。另外函数模板本身也可以用多种方法重载。

（2）模板函数的使用形式和函数的本质区别

①函数模板本身在编译时不会生成任何目标代码，只有由模板生成的实例会生成目标代码。

②被多个源文件引用的函数模板，应当连同函数体一同放在头文件中，而不能像普通函数那样只将声明放在头文件中。

③函数指针也只能指向函数模板的实例，而不能指向函数模板本身。

2.类模板

使用类模板使用户可以为类定义一种模式，使得类中的某些数据成员、某些成员函数的参数、返回值或局部变量能取任意类型（包括系统预定义的和用户自定义的）。

类是对一组对象的公共性质的抽象，而类模板则是对不同类的公共性质的抽象，因此，类模板是属于更高层次的抽象。由于类模板需要一种或多种类型参数，所以类模板也常常称为参数化类。

（1）类模板声明的语法形式

template<模板参数表>
class 类名
{类成员声明;
};

其中类成员的声明方法和普通类的定义几乎相同，只是它的各个成员（数据成员和函数成员）中通常要用到模板的类型参数T。其中“模板参数表”的形式与函数模板中的“模板参数表”相同。

如果需要在类模板以外定义其成员函数，则要采用以下的形式：

template<模板参数表>
类型名 类名<模板参数标识符列表>::函数名(参数表)

一个类模板声明，其自身并不是一个类，它说明了类的一个家族，只有被其他代码引用时，类模板才根据引用的需要生成具体的类。类模板的实例化过程在程序中时隐藏的。

使用一个类模板建立对象时，应以如下形式声明：

模板名<模板参数表>对象名1,...,对象名n;

【例】类模板应用举例
在本例中，声明一个实现任意类型数据存取的类模板S，然后通过具体数据类型参数对类模板进行实例化，生成类，然后类在被实例化生成对象s1，s2，s3和d。

struct student//结构体student
{int id;//学号float avg;//平均分
};template<class T>//类模板：实现对任意类型数据进行存取
class S
{
private:T item;//用于存放任意类型的数据bool Isvalue;//标记item是否被存入
public:S();//默认构造函数T& getE();//提取数据函数void putE(const T& x);//存入数据函数
};template<class T>//默认构造函数的实现
S<T>::S():Isvalue(false){}template<class T>//提取数据函数的实现
T&S<T>::getE()
{	if (!Isvalue)//如果提取的是没有初始化的数据，则程序终止{cout << "数据不存在" << endl;exit(1);//使程序完全退出，返回到操作系统//参数可用来表示程序终止的原因，可以被操作系统接收}elsereturn item;//返回item中存放的数据
}template<class T>//存入函数的实现
void S<T>::putE(const T& x)
{Isvalue = true;//将Isvalue设置为true，表示item中已存入数值item = x;//将x的值存入item
}int main()
{S<int>s1, s2;//定义两个S<int>类对象s1和s2，其中数据成员item为int型s1.putE(3);//向对象s1中存入数据（初始化对象s1为3）s2.putE(-7);//向对象s2中存入数据（初始化对象s1为-7）cout << s1.getE() << " " << s2.getE() << endl;//输出对象s1和s2的数据成员student g = { 1000,23 };//定义student类型结构体变量的同时赋予初值S<student>s3;//定义S<student>类对象s3，其中数据成员item为student类型s3.putE(g);//向对象s3中存入数据（初始化对象s3）cout << "这个学生的id是" << s3.getE().id << endl;//输出对象s3的数据成员S<double>d;//定义S<double>类对象d，其中数据成员item为double类型cout << "检索对象d";cout << d.getE() << endl;//输出对象d的数据成员//由于对象d未经初始化,在执行函数d.getE()过程中导致程序终止return 0;
}

运行结果：