C++之模板

本阶段主要针对C++泛型编程和ST技术做详细讲解，探讨C++更深层的使用

1.1 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 

1.2 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

1.2.1 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：

#include<iostream>
using namespace std;template<typename T>>//声明一个模板，告诉编译器后面代码中紧跟着的T不要报错，T是一个通用的数据类型
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cout << "第一次交换：自动类型推导" << endl;myswap(a, b);cout << "a=" << a << endl;cout << "b=" << b << endl;//2,显示指定类型cout << "第二次交换：显示指定类型" << endl;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 

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

示例：

#include<iostream>
using namespace std;template<typename T>//typename可以替换成class
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，必须推导出一致的数据类型T, 才可以使用cout << "第一次交换：自动类型推导" << endl;myswap(a, b);//正确cout << "a=" << a << endl;cout << "b=" << b << endl;cout << "第二次交换：显示指定类型" << endl;myswap<int>(a, b);cout << "a=" << a << endl;cout << "b=" << b << endl;}
//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的模型才可以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;
}

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;//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
//规则 从小到大
//算法  选择
//测试 char,数组，int 数组//打印函数模板
template<typename T>
void printArray(T arr[], int len)
{for (int i = 0; i < len; i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}//交换函数模板
template<class T>
void mySwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}//排序算法
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 遍历的数值要小，说明j下边的元素是才是真正的最大值if (arr[max] < arr[j]){max = j;}}if (max != i){//交换max和i元素的下标mySwap(arr[max], arr[i]);}}
}void test02()
{int intArr[] = { 7,5,1,3,9,2,4,6,8 };int num = sizeof(intArr) / sizeof(intArr[0]);mySort(intArr, num);printArray(intArr, num);
}void test01()
{//测试char数组char charArr[7] = "badcef";int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);mySort(charArr, num);printArray(charArr, num);
}int main()
{test01();test02();system("pause");return 0;
}

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 

示例：

#include<iostream>
using namespace std;//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 //普通数组
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 << "a + b =" << myAdd01(a, b) << endl;cout <<"a + c =" << myAdd01(a, c) << endl;//a - 97 c - 99//自动类型推导cout << "自动类型推导" << endl;cout << myAdd02(a, b) << endl;//cout << myAdd02(a, c) << endl;//报错，不会发生隐式类型转换//显示指定类型cout << "显示指定类型" << endl;cout << myAdd02<int>(a, c) << endl;//会发生隐式类型转换
}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

 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

示例1：

#include<iostream>
using namespace std;//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
void myprint(int a, int b)
{cout << "调用的普通函数" << endl;
}template<class T>
void myprint(T a, T b)
{cout << "调用的模板函数" << endl;
}void test01()
{int a = 10;int b = 10;myprint(a, b);
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}

示例2： 

#include<iostream>
using namespace std;
//2.可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板void myprint(int a, int b)
{cout << "调用的普通函数" << endl;
}template<class T>
void myprint(T a, T b)
{cout << "调用的模板函数" << endl;
}void test01()
{int a = 10;int b = 10;myprint<>(a, b);
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}

示例3：

#include<iostream>
using namespace std;
void myprint(int a, int b)
{cout << "调用的普通函数" << endl;
}template<class T>
void myprint(T a, T b)
{cout << "调用的模板函数" << endl;
}template<class T>
void myprint(T a, T b,T c)
{cout << "调用的模板重载函数" << endl;
}void test01()
{int a = 10;int b = 10;//3,函数也可以发生重载int c = 10;myprint(a, b, c);//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 = 'c';myprint(c1,c2);}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 

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<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

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>//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class Person
{
public:Person(string name, int age){this->m_Name = name;this->m_age = age;}string m_Name;int m_age;
};template<class T> 
bool myCompare(T &a,T &b)
{if (a == b){return true;}else{return false;}
}//利用具体化Person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()
{int a = 10;int b = 20;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);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<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

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>//类模板
template<class NameYtpe,class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameYtpe name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void ShowPerson(){cout << "name: " << this->m_Name <<"\t" << "age: " << this->m_Age << endl;}NameYtpe m_Name;AgeType m_Age;
};void test01()
{Person<string, int>p1("孙悟空", 99);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

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

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>//类模板与函数模板的区别
template<class NameYtpe, class AgeType = int>
class Person
{
public:Person(NameYtpe name, AgeType  age ){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void ShowPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << "\t" << "age: " << this->m_Age << endl;}NameYtpe m_Name;AgeType m_Age;
};//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);Person<string, int>p1("孙悟空", 99);//只能用显示指定类型p1.ShowPerson();
}
//2.类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02()
{Person<string>p2("猪八戒", 999);p2.ShowPerson();
}int main()
{test01();test02();system("pause");return 0;
}

 

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

// 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#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，而是在模板调用时再生成//类模板中的成员函数void func1(){obj.showPerson1();}void func2(){obj.showPerson2();}
};void test01()
{Myclass<Person1>m;m.func1();//m.func2();//编译会出错，说明函数调用时才会去创建成员函数
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}

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

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. 将这个对象类型   模板化进行传递3.整个类模板化

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>
//类模板对象做函数参数template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << "\t" << "age: " << this->m_Age << endl;}T1 m_Name;T2 m_Age;
};void printPerson1(Person<string,int>&p)
{p.showPerson();
}//1，指定传入类型
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 << "T1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 << "T1的类型为：" << typeid(T).name() << endl;
}void test03()
{Person<string, int>p("唐增", 90);printPerson3(p);
}int main()
{test01();test02();test03();system("pause");return 0;
}

总结：

通过类模板创建的对象，可以有三种方式想函数中进行传参

使用比较广泛的是第一种：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;
#include<string>//类模板与继承
template<class T>
class Base
{T m;
};//class Son:public Base//错误，必须要指定父类中的T类型，才能继承给子类
class Son1 :public Base<int>
{};void test01()
{Son1 s1;
}//如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板
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>S2;
}int main()
{//test01();test02();//test03();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 

1.3.6 类模板成员函数类外实现

示例：

#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;
};//构造函数的类外实现
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 << "name: " << this->m_Name << "\t" << "age: " << 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 

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

我们首先将类模板成员函数类外实现的文件分为以下三个文件：

Person.h

#include"Person.h"
//构造函数的类外实现
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 << "name: " << this->m_Name << "\t" << "age: " << this->m_Age << endl;
}

Person.cpp

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>//类模板分文件编写问题以及解决
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);void ShowPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};

 类模板分文件编写.cpp

#include"person.h"
void test01()
{Person<string, int>P("Tom", 20);P.ShowPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}

 解决方法1：将类模板的头文件改为：#include"person.cpp"即可运行

解决方法2：将.h和.cpp中的内容写到一起，将后缀名改为.hpp文件

 

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

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>template<class T1, class T2>
class Person;//类外实现
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;
}//通过全局函数，打印Perosn信息
template<class T1,class T2>
class Person
{//全局函数类外实现//加空模板参数列表//如果全局函数 是类外实现，需要让编译器提前指定这个函数的存在friend void PrintPerson2<>(Person<T1, T2>p);
public://全局函数 类内实现friend void PrintPerson(Person<T1, T2>&p){cout << "name: " << p.m_Name << "\t" << "age: " << p.m_Age << endl;}Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}
private:T1 m_Name;T2 m_Age;
};void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 100);PrintPerson(p);
}
//全局函数类外实现
void test02()
{Person<string, int>p("Jerry", 20);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 

1.3.9 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

提供尾插法和尾刚法对数组中的教据进行增加和刷除

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

思路：