C++提高编程：01 模板

1 模板的概念

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性

模板的特点：

• 模板不可以直接使用，它只是一个框架
• 模板的通用并不是万能的

2 函数模板

• 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

2.1 函数模板语法

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<typename T>
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

示例：

//交换整型函数
void swapInt(int& a, int& b) {int temp = a;a = b;b = temp;
}//交换浮点型函数
void swapDouble(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<typename T>
void mySwap(T& a, T& b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}void test01()
{int a = 10;int b = 20;//swapInt(a, b);//利用模板实现交换//1、自动类型推导mySwap(a, b);//2、显示指定类型mySwap<int>(a, b);cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << 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

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

示例：

//利用模板提供通用的交换函数
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，可以推导出一致的T//mySwap(a, c); // 错误，推导不出一致的T类型
}// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func()
{cout << "func 调用" << 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;
}

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

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

示例：

//交换的函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T&b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}template<class T> // 也可以替换成typename
//利用选择排序，进行对数组从大到小的排序
void mySort(T arr[], int len)
{for (int i = 0; i < len; i++){int max = i; //最大数的下标for (int j = i + 1; j < len; j++){if (arr[max] < arr[j]){max = j;}}if (max != i) //如果最大数的下标不是i，交换两者{mySwap(arr[max], arr[i]);}}
}
template<typename 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[] = "bdcfeagh";int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);mySort(charArr, num);printArray(charArr, num);
}void test02()
{//测试int数组int intArr[] = { 7, 5, 8, 1, 3, 9, 2, 4, 6 };int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);mySort(intArr, num);printArray(intArr, num);
}int main() {test01();test02();system("pause");return 0;
}

总结：模板可以提高代码复用，需要熟练掌握

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

示例：

//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;
}//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 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类型  'c' 对应 ASCII码 99//myAdd02(a, c); // 报错，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，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}int main() {test01();system("pause");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

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

示例：

//普通函数与函数模板调用规则
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  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函数模板myPrint<>(a, b); //调用函数模板//3、函数模板也可以发生重载int c = 30;myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板//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); //调用函数模板
}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

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<class T>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<class T>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

示例：

#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;
};//普通函数模板
template<class T>
bool myCompare(T& a, T& b)
{if (a == b){return true;}else{return false;}
}//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<> 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()
{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 test02()
{Person p1("Tom", 10);Person p2("Tom", 10);//自定义数据类型，不会调用普通的函数模板//可以创建具体化的Person数据类型的模板，用于特殊处理这个类型bool ret = myCompare(p1, p2);if (ret){cout << "p1 == p2 " << endl;}else{cout << "p1 != p2 " << endl;}
}int main() {test01();test02();system("pause");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

3 类模板

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<typename T>
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

示例：

#include <string>
//类模板
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()
{// 指定NameType 为string类型，AgeType 为 int类型Person<string, int>P1("孙悟空", 999);P1.showPerson();
}int main() {test01();system("pause");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

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

示例：

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
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;
};//1、类模板没有自动类型推导的使用方式
void test01()
{// 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 <string ,int>p("孙悟空", 1000); //必须使用显示指定类型的方式，使用类模板p.showPerson();
}//2、类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02()
{Person <string> 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() {test01();test02();system("pause");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

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

示例：

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，而是在模板调用时再生成void fun1() { obj.showPerson1(); }void fun2() { obj.showPerson2(); }};void test01()
{MyClass<Person1> 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() {test01();system("pause");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

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

示例：

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
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;
};//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)
{cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;p.showPerson();}
void test03()
{Person <string, int >p("唐僧", 30);printPerson3(p);
}int main() {test01();test02();test03();system("pause");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

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

示例：

template<class T>
class Base
{T m;
};//class Son:public Base  //错误，c++编译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<int> //必须指定一个类型
{
};
void test01()
{Son c;
}//类模板继承类模板 ,可以用T2指定父类中的T类型
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
public:Son2(){cout << typeid(T1).name() << endl;cout << typeid(T2).name() << endl;}
};void test02()
{Son2<int, char> child1;
}int main() {test01();test02();system("pause");return 0;
}

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

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

示例：

#include <string>//类模板中成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person {
public://成员函数类内声明Person(T1 name, T2 age);void showPerson();public: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;
}

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

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

示例：

person.hpp中代码：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>template<class T1, class T2>
class Person {
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();
public: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;
}

类模板分文件编写.cpp中代码

#include<iostream>
using namespace std;//#include "person.h"
#include "person.cpp" //解决方式1，包含cpp源文件//解决方式2，将声明和实现写到一起，文件后缀名改为.hpp
#include "person.hpp"
void test01()
{Person<string, int> p("Tom", 10);p.showPerson();
}int main() {test01();system("pause");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

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

示例：

#include <string>//2、全局函数配合友元  类外实现 - 先做函数模板声明，下方在做函数模板定义，在做友元
template<class T1, class T2> 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<class T1, class T2> void printPerson2(Person<T1, T2> & p); template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> & p)
{cout << "类外实现 ---- 姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}template<class T1, class T2>
class Person
{//1、全局函数配合友元   类内实现friend void printPerson(Person<T1, T2> & p){cout << "姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;}//全局函数配合友元  类外实现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;};//1、全局函数在类内实现
void test01()
{Person <string, int >p("Tom", 20);printPerson(p);
}//2、全局函数在类外实现
void test02()
{Person <string, int >p("Jerry", 30);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

3.9 类模板案例

案例描述: 实现一个通用的数组类，要求如下：

• 可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
• 将数组中的数据存储到堆区
• 构造函数中可以传入数组的容量
• 提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
• 提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
• 可以通过下标的方式访问数组中的元素
• 可以获取数组中当前元素个数和数组的容量

示例：

myArray.hpp中代码

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;template<class T>
class MyArray
{
public://构造函数MyArray(int capacity){this->m_Capacity = capacity;this->m_Size = 0;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++){//如果T为对象，而且还包含指针，必须需要重载 = 操作符，因为这个等号不是 构造 而是赋值，// 普通类型可以直接= 但是指针类型需要深拷贝this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];}}//重载= 操作符  防止浅拷贝问题MyArray& operator=(const MyArray& myarray) {if (this->pAddress != NULL) {delete[] this->pAddress;this->m_Capacity = 0;this->m_Size = 0;}this->m_Capacity = myarray.m_Capacity;this->m_Size = myarray.m_Size;this->pAddress = new T[this->m_Capacity];for (int i = 0; i < this->m_Size; i++) {this->pAddress[i] = myarray[i];}return *this;}//重载[] 操作符  arr[0]T& operator [](int index){return this->pAddress[index]; //不考虑越界，用户自己去处理}//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++;}//尾删法void Pop_back(){if (this->m_Size == 0){return;}this->m_Size--;}//获取数组容量int getCapacity(){return this->m_Capacity;}//获取数组大小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
};

类模板案例—数组类封装.cpp中

#include "myArray.hpp"
#include <string>void printIntArray(MyArray<int>& arr) {for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++) {cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}//测试内置数据类型
void test01()
{MyArray<int> array1(10);for (int i = 0; i < 10; i++){array1.Push_back(i);}cout << "array1打印输出：" << endl;printIntArray(array1);cout << "array1的大小：" << array1.getSize() << endl;cout << "array1的容量：" << array1.getCapacity() << endl;cout << "--------------------------" << endl;MyArray<int> array2(array1);array2.Pop_back();cout << "array2打印输出：" << endl;printIntArray(array2);cout << "array2的大小：" << array2.getSize() << endl;cout << "array2的容量：" << array2.getCapacity() << endl;
}//测试自定义数据类型
class Person {
public:Person() {} Person(string name, int age) {this->m_Name = name;this->m_Age = age;}
public:string m_Name;int m_Age;
};void printPersonArray(MyArray<Person>& personArr)
{for (int i = 0; i < personArr.getSize(); i++) {cout << "姓名：" << personArr[i].m_Name << " 年龄： " << personArr[i].m_Age << endl;}}void test02()
{//创建数组MyArray<Person> pArray(10);Person p1("孙悟空", 30);Person p2("韩信", 20);Person p3("妲己", 18);Person p4("王昭君", 15);Person p5("赵云", 24);//插入数据pArray.Push_back(p1);pArray.Push_back(p2);pArray.Push_back(p3);pArray.Push_back(p4);pArray.Push_back(p5);printPersonArray(pArray);cout << "pArray的大小：" << pArray.getSize() << endl;cout << "pArray的容量：" << pArray.getCapacity() << endl;}int main() {//test01();test02();system("pause");return 0;
}

总结：

能够利用所学知识点实现通用的数组