01章-模板--C++提高编程知识学习笔记

1 模板

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

1.2 函数模板

  • C++另一种编程思想称为泛型函数，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

模板函数作用：

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;
 
//函数模板
 
//两个整数交换函数
void swapInt(int& a, int& b)
{
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}
 
//交换两个浮点型的函数
void swapDouble(double& a, double& b)
{
	double temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}
 
void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	swapInt(a, b);
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
 
	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	swapDouble(c, d);
	cout << "c = " << c << endl;
	cout << "d = " << d << endl;
}
 
//函数模板
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 test02()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
 
	//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();
 
	test02();
 
	system("pause");
	return 0;
}

1.2.2 函数模板注意事项

注意事项：

  • 自动类型推导，必须推导出一致的函数类型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;
 
//函数模板注意事项
 
//template<typename T> // typename可以替换成calss
 
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
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
 
	//mySwap(a, c);//报错,无法推导出一致的数据类型
 
}
 
//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<int>();//随便给一个数据类型就能调用func模板函数了
}
 
int main()
{
	test01();
	test02();
	system("pause");
	return 0;
}

1.2.3 函数模板案例

案例描述：

  • 利用函数模板封装成一个排序的函数，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：

#include <iostream>
using namespace std;
 
//实现通用 对数组进行排序的函数
//规则 从大到小
//算法 选择
//测试 char 数组，int 数组
 
//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max和i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中的第" << i << "元素 = " << arr[i] << 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[] = { 7,5,1,3,10,2,4,7,9 };
 
	int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);
 
	mySort(intArr, num);
	printArray(intArr, 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
 
//1、普通函数调用可以发生隐式类型转换
//2、函数模板 用自动类型推导，不可以发生隐式类型转换
//3、函数模板 用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
 
//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'; //c - 99
 
	cout << myAdd01(a, c) << endl;
 
	//自动类型推导
	//cout << myAdd02(a, c) << endl;//报错，函数模板不可以发生隐式类型转换
 
	//显示指定类型
	cout << myAdd02<int>(a, c) << endl;//明确类型，正确
}
 
int main()
{
	test01();
 
	system("pause");
	return 0;
}

1.2.5 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可以实现，优先调用普通函数
  • 可以通过空模板参数列表来强调函数模板
  • 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

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
 
//普通函数与函数模板调用规则
//1、如果函数模板和普通函数都可以调用，优先调用普通函数
//2、可以通过空模板参数列表 强制调用 函数模板
//3、函数模板可以发生函数重载
//4、如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板
 
void myPrint(int a, int b)//如果只有声明，没有函数实现，就会报错，还是优先调用普通函数
{
	cout << "调用普通函数" << endl;
}
 
template<class T>
void myPrint(T a, T b)
{
	cout << "调用模板" << endl;
}
 
template<class T>
void myPrint(T a, T b,T c)
{
	cout << "调用重载的模板" << endl;
}
 
void test01()//优先调用普通函数
{
	int a = 10;
	int b = 10;
	myPrint(a, b);//调用普通函数
 
	//通过空模板的参数列表，强制调用函数模板
	myPrint<>(a, b);//调用函数模板
 
	myPrint(a, b, 100);//调用重载函数模板
 
	//如果函数模板产生更好的匹配，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了，容易产生二义性，实际开发中这样子意义不大。

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;
}

在上述代码中提供了赋值操作，如果传入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的自定义数据类型，也是无法正常运行的，

因此为了解决这类问题，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>
#include<string>
using namespace std;
 
//模板的局限性
//模板并不是万能的，有些特定的数据类型，需要用具体化的方式做实现
 
//对比两个数据类型是否相等函数
 
class Person
{
public:
	Person(string name, int age)
	{
		this->m_Age = age;
		this->m_Name = name;
	}
	string m_Name;
	int m_Age;
};
 
template<class T>
bool myCompare(T& a, T& b)
{
	if (a == b)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}
 
//利用具体化的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_Age == p2.m_Age && p1.m_Name == p2.m_Name)
	{
		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
  • 学习模板并不是为了写模板，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：

template<typname T>
类

解释：

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：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
//类模板
template<class NameType, class AgeType>
 
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;
	}
};
 
void test01()
{
	Person<string, int>p1("孙悟空", 999);
	p1.showPerson();
}
 
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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模板参数

示例：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
 
//类模板与函数模板区别
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;
	}
};
 
//1、类模板没有自动类型推导使用方式
void test01()
{
	//Person p("孙悟空",999)//错误，无法用自动类型推导
	Person<string, int>p("孙悟空", 999);
	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", 1000);
	p.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去别的：

  • 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

#include<iostream>
using namespace std;
 
//类模板中成员函数创建时机
//类模板中成员函数在调用时才去创建
 
class Pesrson1
{
public:
	void showPerson1()
	{
		cout << "Person1 show!" << endl;
	}
};
 
class Pesrson2
{
public:
	void showPerson2()
	{
		cout << "Person2 show!" << endl;
	}
};
 
template<class T>
class MyClass
{
public:
	T obj;
 
	//类模板中的成员函数//是在 被调用时候才会创建的，需要确认是什么成员函数类型之后才能被调用。不然调用不出来。
	void func1()
	{
		obj.showPerson1();
	}
	void func2()
	{
		obj.showPerson2();
	}
};
 
void test01()
{
	MyClass<Pesrson1> m;
	m.func1();
	//m.func2();
}
 
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

总结：类模板中的成员函数不是一开始就创建的，在调用时才去创建的。

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

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 --- 将整个对象类型 模板化进行传递

示例：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
 
//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 << "姓名：" << this->m_Name << " 年龄：" << this->m_Age << endl;
	}
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};
 
//1、指定传入类型 //最常用
void printPerson1(Person<string,int>&p)
{
	p.showPerson();
}
 
void test01()
{
	Person<string, int>p("孙悟空", 100);
	printPerson1(p);
}
 
//2、将参数模板化
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", 1000);
	printPerson2(p);
}
//3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T& p)
{
	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
  • 比较广泛使用的方式是指定传入类型

1.3.5 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，子类也需变为类模板

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
 
//类模板与继承
template<class T>
class Base
{
	T m;
};
 
//class Son :public Base//错误，必须知道父类中的T类型，才能继承子类
class Son:public Base<int>
{
 
};
 
void test01()
{
	Son s1;
}
 
//如果想要灵活的指定父类中T的类型，子类也需要边类模板
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
	T1 obj;
};
 
void test02()
{
	Son2<int, char>S2;
 
}
 
int main()
{
	test01();
 
	test02();
	system("pause");
	return 0;
}

1.3.6 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<iostream>
#include<string>
using namespace std;
//类模板成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name, T2 age);
//	Person(T1 name, T2 age)
//	{
//		this->m_Name = name;
//		this->m_Age = age;
//	}
	
	void showPerson();
	//{
	//	cout << "姓名： " << m_Name << " 年龄：" << m_Age << endl;
	//}
 
	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 << "姓名： " << m_Name << " 年龄：" << 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，导致份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：将声明和实现卸载同一个文件中，并更改后缀为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制

创建.hpp

示例：

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
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_Age = age;
	this->m_Name = name;
}
 
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名：" << this->m_Name << " 年龄：" << this->m_Age << endl;
}

cpp

#include<iostream>
#include<string >
using namespace std;
#include"person.hpp"
 
//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_Age = age;
//	this->m_Name = name;
//}
//
//template<class T1, class T2>
//void Person<T1, T2>::showPerson()
//{
//	cout << "姓名：" << this->m_Name << " 年龄：" << this->m_Age << endl;
//}
// 
 
//2、解决方法 将.h和.cpp内容写在一起，将后缀名改为.hpp文件
 
 
void test01()
{
	Person<string, int>p("Jerry", 18);
	p.showPerson();
}
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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>
#include<string>
using namespace std;
 
//提前让编译器知道类模板
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Person信息
 
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
	//加空参数列表
	//如果全局函数是类外实现需要让编译器提前知道这个类模板的存在
	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;
};
 
 
 
void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 20);
	printPerson(p);
}
 
 
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

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