C++解析(26)：函数模板与类模板
0.目录
1.函数模板
- 1.1 函数模板与泛型编程
- 1.2 多参数函数模板
- 1.3 函数重载遇上函数模板
2.类模板
3.小结
1.函数模板
1.1 函数模板与泛型编程
C++中有几种交换变量的方法？
交换变量的方法——定义宏代码块 vs 定义函数：
- 定义宏代码块
- 优点：代码复用，适合所有的类型
- 缺点：编译器不知道宏的存在，缺少类型检查
- 定义函数
- 优点：真正的函数调用，编译器对类型进行检查
- 缺点：根据类型重复定义函数，无法代码复用
C++中有没有解决方案集合两种方法的优点？
泛型编程的概念——不考虑具体数据类型的编程方式
函数模板：
- 一种特殊的函数可用不同类型进行调用
- 看起来和普通函数很相似，区别是类型可被参数化
函数模板的语法规则：
- template关键字用于声明开始进行泛型编程
- typename关键字用于声明泛型类型
函数模板的使用：
- 自动类型推导调用
- 具体类型显示调用
示例——使用函数模板：
#include <iostream>
using namespace std;
template < typename T >
void Swap(T& a, T& b)
{
T c = a;
a = b;
b = c;
}
template < typename T >
void Sort(T a[], int len)
{
for(int i=0; i<len; i++)
{
for(int j=i; j<len; j++)
{
if( a[i] > a[j] )
{
Swap(a[i], a[j]);
}
}
}
}
template < typename T >
void Println(T a[], int len)
{
for(int i=0; i<len; i++)
{
cout << a[i] << ", ";
}
cout << endl;
}
int main()
{
int a[5] = {5, 3, 2, 4, 1};
Println(a, 5);
Sort(a, 5);
Println(a, 5);
string s[5] = {"Java", "C++", "Pascal", "Ruby", "Basic"};
Println(s, 5);
Sort(s, 5);
Println(s, 5);
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
5, 3, 2, 4, 1,
1, 2, 3, 4, 5,
Java, C++, Pascal, Ruby, Basic,
Basic, C++, Java, Pascal, Ruby,
函数模板深入理解：
- 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数
- 编译器会对函数模板进行两次编译
- 对模板代码本身进行编译
- 对参数替换后的代码进行编译
注意事项：
- 函数模板本身不允许隐式类型转换
- 自动推导类型时，必须严格匹配
- 显示类型指定时，能够进行隐式类型转换
示例——编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数：
#include <iostream>
using namespace std;
template < typename T >
void Swap(T& a, T& b)
{
T c = a;
a = b;
b = c;
}
typedef void(FuncI)(int&, int&);
typedef void(FuncD)(double&, double&);
int main()
{
FuncI* pi = Swap; // 编译器自动推导 T 为 int
FuncD* pd = Swap; // 编译器自动推导 T 为 double
cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;
cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
pi = 0x40091e
pd = 0x40094a
可以看到，编译器通过函数模板产生了两个地址不同的实实在在的函数！
1.2 多参数函数模板
多参数函数模板——函数模板可以定义任意多个不同的类型参数：
对于多参数函数模板：
- 无法自动推导返回值类型
- 可以从左向右部分指定类型参数
示例——多参数函数模板：
#include <iostream>
using namespace std;
template
< typename T1, typename T2, typename T3 >
T1 Add(T2 a, T3 b)
{
return static_cast<T1>(a + b);
}
int main()
{
// T1 = int, T2 = double, T3 = double
int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);
// T1 = double, T2 = float, T3 = double
double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);
// T1 = float, T2 = float, T3 = float
float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);
cout << "r1 = " << r1 << endl; // r1 = 1
cout << "r2 = " << r2 << endl; // r2 = 1.3
cout << "r3 = " << r3 << endl; // r3 = 1.3
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
r1 = 1
r2 = 1.3
r3 = 1.3
1.3 函数重载遇上函数模板
当函数重载遇上函数模板会发生什么？
函数模板可以像普通函数一样被重载：
- C++编译器优先考虑普通函数
- 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
- 可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板
示例——重载函数模板：
#include <iostream>
using namespace std;
template < typename T >
T Max(T a, T b)
{
cout << "T Max(T a, T b)" << endl;
return a > b ? a : b;
}
int Max(int a, int b)
{
cout << "int Max(int a, int b)" << endl;
return a > b ? a : b;
}
template < typename T >
T Max(T a, T b, T c)
{
cout << "T Max(T a, T b, T c)" << endl;
return Max(Max(a, b), c);
}
int main()
{
int a = 1;
int b = 2;
cout << Max(a, b) << endl; // 普通函数 Max(int, int)
cout << Max<>(a, b) << endl; // 函数模板 Max<int>(int, int)
cout << endl;
cout << Max(3.0, 4.0) << endl; // 函数模板 Max<double>(double, double)
cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl; // 函数模板 Max<double>(double, double, double)
cout << endl;
cout << Max('a', 100) << endl; // 普通函数 Max(int, int)
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
int Max(int a, int b)
2
T Max(T a, T b)
2
T Max(T a, T b)
4
T Max(T a, T b, T c)
T Max(T a, T b)
T Max(T a, T b)
7
int Max(int a, int b)
100
2.类模板
2.1 类模板
在C++中是否能够将泛型的思想应用于类？
类模板：
- 一些类主要用于存储和组织数据元素
- 类中数据组织的方式和数据元素的具体类型无关
- 如：数组类，链表类，Stack类，Queue类，等
C++中将模板的思想应用于类，使得类的实现不关注数据元素的具体类型，而只关注类所需要实现的功能。
C++中的类模板：
- 以相同的方式处理不同的类型
- 在类声明前使用template进行标识
- <typename T>用于说明类中使用的泛指类型 T
类模板的应用：
- 只能显示指定具体类型，无法自动推导
- 使用具体类型<Type>定义对象
- 声明的泛指类型 T 可以出现在类模板的任意地方
- 编译器对类模板的处理方式和函数模板相同
- 从类模板通过具体类型产生不同的类
- 在声明的地方对类模板代码本身进行编译
- 在使用的地方对参数替换后的代码进行编译
示例——类模板：
#include <iostream>
using namespace std;
template < typename T >
class Operator
{
public:
T add(T a, T b) { return a + b; }
T minus(T a, T b) { return a - b; }
T multiply(T a, T b) { return a * b; }
T divide(T a, T b) { return a / b; }
};
string operator-(string& l, string& r)
{
return "Minus";
}
int main()
{
Operator<int> op1;
cout << op1.add(1, 2) << endl;
Operator<string> op2;
cout << op2.add("Hello", "World") << endl;
cout << op2.minus("Hello", "World") << endl;
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
3
HelloWorld
Minus
类模板的工程应用：
- 类模板必须在头文件中定义
- 类模板不能分开实现在不同的文件中
- 类模板外部定义的成员函数需要加上模板<>声明
示例——模板类的工程应用：
// Operator.h
#ifndef _OPERATOR_H_
#define _OPERATOR_H_
template < typename T >
class Operator
{
public:
T add(T a, T b);
T minus(T a, T b);
T multiply(T a, T b);
T divide(T a, T b);
};
template < typename T >
T Operator<T>::add(T a, T b)
{
return a + b;
}
template < typename T >
T Operator<T>::minus(T a, T b)
{
return a - b;
}
template < typename T >
T Operator<T>::multiply(T a, T b)
{
return a * b;
}
template < typename T >
T Operator<T>::divide(T a, T b)
{
return a / b;
}
#endif
// test.cpp
#include <iostream>
#include "Operator.h"
using namespace std;
int main()
{
Operator<int> op1;
cout << op1.add(1, 2) << endl;
cout << op1.multiply(4, 5) << endl;
cout << op1.minus(5, 6) << endl;
cout << op1.divide(10, 5) << endl;
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
3
20
-1
2
2.2 多参数类模板与特化
类模板可以定义任意多个不同的类型参数：
类模板可以被特化：
- 指定类模板的特定实现
- 部分类型参数必须显示指定
- 根据类型参数分开实现类模板
类模板的特化类型：
- 部分特化——用特定规则约束类型参数
- 完全特化——完全显示指定类型参数
示例——类模板的特化：
#include <iostream>
using namespace std;
template
< typename T1, typename T2 >
class Test
{
public:
void add(T1 a, T2 b)
{
cout << "void add(T1 a, T2 b)" << endl;
cout << a + b << endl;
}
};
template
< typename T1, typename T2 >
class Test < T1*, T2* > // 关于指针的特化实现
{
public:
void add(T1* a, T2* b)
{
cout << "void add(T1* a, T2* b)" << endl;
cout << *a + *b << endl;
}
};
template
< typename T >
class Test < T, T > // 当 Test 类模板的两个类型参数完全相同时，使用这个实现
{
public:
void add(T a, T b)
{
cout << "void add(T a, T b)" << endl;
cout << a + b << endl;
}
void print()
{
cout << "class Test < T, T >" << endl;
}
};
template
< >
class Test < void*, void* > // 当 T1 == void* 并且 T2 == void* 时
{
public:
void add(void* a, void* b)
{
cout << "void add(void* a, void* b)" << endl;
cout << "Error to add void* param..." << endl;
}
};
int main()
{
Test<int, float> t1;
Test<long, long> t2;
Test<void*, void*> t3;
t1.add(1, 2.5);
cout << endl;
t2.add(5, 5);
t2.print();
cout << endl;
t3.add(NULL, NULL);
cout << endl;
Test<int*, double*> t4;
int a = 1;
double b = 0.1;
t4.add(&a, &b);
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
void add(T1 a, T2 b)
3.5
void add(T a, T b)
10
class Test < T, T >
void add(void* a, void* b)
Error to add void* param...
void add(T1* a, T2* b)
1.1
类模板特化注意事项：
- 特化只是模板的分开实现
- 本质上是同一个类模板
- 特化类模板的使用方式是统一的
- 必须显示指定每一个类型参数
2.3 特化的深度分析
类模板特化与重定义有区别吗？函数模板可以被特化吗？
重定义和特化的不同：
- 重定义
- 一个类模板和一个新类（或者两个类模板）
- 使用的时候需要考虑如何选择的问题
- 特化
- 以统一的方式使用内模板和特化类
- 编译器自动优先选择特化类
函数模板只支持类型参数完全特化：
示例——函数模板完全特化与函数重载：
#include <iostream>
using namespace std;
template
< typename T >
bool Equal(T a, T b)
{
cout << "bool Equal(T a, T b)" << endl;
return a == b;
}
template
< >
bool Equal<double>(double a, double b)
{
const double delta = 0.00000000000001;
double r = a - b;
cout << "bool Equal<double>(double a, double b)" << endl;
return (-delta < r) && (r < delta);
}
bool Equal(double a, double b)
{
const double delta = 0.00000000000001;
double r = a - b;
cout << "bool Equal(double a, double b)" << endl;
return (-delta < r) && (r < delta);
}
int main()
{
cout << Equal( 1, 1 ) << endl;
cout << Equal( 0.001, 0.001 ) << endl;
cout << Equal<>( 0.001, 0.001 ) << endl;
return 0;
}
运行结果为：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
bool Equal(T a, T b)
1
bool Equal(double a, double b)
1
bool Equal<double>(double a, double b)
1
工程中的建议：
当需要重载函数模板时，优先考虑使用模板特化；当模板特化无法满足需求，再使用函数重载！
3.小结
- 函数模板是泛型编程在C++中的应用方式之一
- 函数模板能够根据实参对参数类型进行推导
- 函数模板支持显示的指定参数类型
- 函数模板是C++中重要的代码复用方式
- 函数模板通过具体类型产生不同的函数
- 函数模板可以定义任意多个不同的类型参数
- 函数模板中的返回值类型必须显示指定
- 函数模板可以像普通函数一样被重载
- 泛型编程的思想可以应用于类
- 类模板以相同的方式处理不同类型的数据
- 类模板非常适用于编写数据结构相关的代码
- 类模板在使用时只能显示指定类型
- 类模板可以定义任意多个不同的类型参数
- 类模板可以被部分特化和完全特化
- 特化的本质是模板的分开实现
- 函数模板只支持完全特化
- 工程中使用模板特化代替类（函数）重定义
