C++ 模板

C++ 模板

C++模板和泛型程序设计

 数据的值可以通过函数参数传递，在函数定义时数据的值是未知的，只有等到函数调用时接收了实参才能确定其值。这就是值的参数化。

在C++中，数据的类型也可以通过参数来传递，在函数定义时可以不指明具体的数据类型，当发生函数调用时，编译器可以根据传入的实参自动推断数据类型。这就是类型的参数化。

值（Value）和类型（Type）是数据的两个主要特征，它们在C++中都可以被参数化。

所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，它所用到的数据的类型（包括返回值类型、形参类型、局部变量类型）可以不具体指定，而是用一个虚拟的类型来代替（实际上是用一个标识符来占位），等发生函数调用时再根据传入的实参来逆推出真正的类型。这个通用函数就称为函数模板。

在函数模板中，数据的值和类型都被参数化了，发生函数调用时编译器会根据传入的实参来推演形参的值和类型。换个角度说，函数模板除了支持值的参数化，还支持类型的参数化。

一但定义了函数模板，就可以将类型参数用于函数定义和函数声明了。说得直白一点，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

将Swap() 函数压缩为一个函数模板：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T>
void Swap(T &a, T &b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main(){
    int n1 = 100, n2 = 200;
    Swap(n1, n2);
    cout<<n1<<", "<<n2<<endl;

    float f1 = 12.5, f2 = 56.93;
    Swap(f1, f2);
    cout<<f1<<", "<<f2<<endl;

    char c1 = 'A', c2 = 'B';
    Swap(c1, c2);
    cout<<c1<<", "<<c2<<endl;

    bool b1 = false, b2 = true;
    Swap(b1, b2);
    cout<<b1<<", "<<b2<<endl;
    return 0;
}

结果

200, 100
56.93, 12.5
B, A
1, 0

template是定义函数模板的关键字，它后面紧跟尖括号<>，尖括号包围的是类型参数（也可以说是虚拟的类型，或者说是类型占位符）。typename是另外一个关键字，用来声明具体的类型参数，这里的类型参数就是T。从整体上看，template<typename T>被称为模板头。
模板头中包含的类型参数可以用在函数定义的各个位置，包括返回值、形参列表和函数体；本例我们在形参列表和函数体中使用了类型参数T。
类型参数的命名规则跟其他标识符的命名规则一样，不过使用 T、T1、T2、Type 等已经成为了一种惯例。
定义了函数模板后，就可以像调用普通函数一样来调用它们了。

定义模板函数的语法：

template <typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , ...> 返回值类型  函数名(形参列表){
    //在函数体中可以使用类型参数
}

类型参数可以有多个，它们之间以逗号,分隔。类型参数列表以< >包围，形式参数列表以( )包围。

typename关键字也可以使用class关键字替代，它们没有任何区别。C++ 早期对模板的支持并不严谨，没有引入新的关键字，而是用 class 来指明类型参数，但是 class 关键字本来已经用在类的定义中了，这样做显得不太友好，所以后来 C++ 又引入了一个新的关键字 typename，专门用来定义类型参数。不过至今仍然有很多代码在使用 class 关键字，包括 C++ 标准库、一些开源程序等。

函数模板也可以提前声明，不过声明时需要带上模板头，并且模板头和函数定义（声明）是一个不可分割的整体，它们可以换行，但中间不能有分号。

#include <iostream>
using namespace std;
//声明函数模板
template<typename T> T max(T a, T b, T c);
int main( ){
    //求三个整数的最大值
    int i1, i2, i3, i_max;
    cin >> i1 >> i2 >> i3;
    i_max = max(i1,i2,i3);
    cout << "i_max=" << i_max << endl;
    //求三个浮点数的最大值
    double d1, d2, d3, d_max;
    cin >> d1 >> d2 >> d3;
    d_max = max(d1,d2,d3);
    cout << "d_max=" << d_max << endl;
    //求三个长整型数的最大值
    long g1, g2, g3, g_max;
    cin >> g1 >> g2 >> g3;
    g_max = max(g1,g2,g3);
    cout << "g_max=" << g_max << endl;
    return 0;
}
//定义函数模板
template<typename T>  //模板头，这里不能有分号
T max(T a, T b, T c){ //函数头
    T max_num = a;
    if(b > max_num) max_num = b;
    if(c > max_num) max_num = c;
    return max_num;
}

C++ 除了支持函数模板，还支持类模板。函数模板中定义的类型参数可以用在函数声明和函数定义中，类模板中定义的类型参数可以用在类声明和类实现中。类模板的目的同样是将数据的类型参数化。
声明类模板的语法为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …> class 类名{
    //TODO:
};

类模板和函数模板都是以 template 开头（当然也可以使用 class，目前来讲它们没有任何区别），后跟类型参数；类型参数不能为空，多个类型参数用逗号隔开。
一但声明了类模板，就可以将类型参数用于类的成员函数和成员变量了。换句话说，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

假如我们现在要定义一个类来表示坐标，要求坐标的数据类型可以是整数、小数和字符串，例如：

• x = 10、y = 10
• x = 12.88、y = 129.65
• x = "东经180度"、y = "北纬210度"

这个时候就可以使用类模板

template<typename T1, typename T2>  //这里不能有分号
class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const;  //获取x坐标
    void setX(T1 x);  //设置x坐标
    T2 getY() const;  //获取y坐标
    void setY(T2 y);  //设置y坐标
private:
    T1 m_x;  //x坐标
    T2 m_y;  //y坐标
};

x 坐标和 y 坐标的数据类型不确定，借助类模板可以将数据类型参数化，这样就不必定义多个类了。

注意：模板头和类头是一个整体，可以换行，但是中间不能有分号。

上面的代码仅仅是类的声明，我们还需要在类外定义成员函数。在类外定义成员函数时仍然需要带上模板头，格式为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …>
返回值类型 类名<类型参数1 , 类型参数2, ...>::函数名(形参列表){
    //TODO:
}

下面对成员函数进行定义

template<typename T1, typename T2>  //模板头
T1 Point<T1, T2>::getX() const /*函数头*/ {
    return m_x;
}
template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setX(T1 x){
    m_x = x;
}
template<typename T1, typename T2>
T2 Point<T1, T2>::getY() const{
    return m_y;
}
template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setY(T2 y){
    m_y = y;
}

仔细观察代码，除了 template 关键字后面要指明类型参数，类名 Point 后面也要带上类型参数，只是不加 typename 关键字了。另外需要注意的是，在类外定义成员函数时，template 后面的类型参数要和类声明时的一致。

使用类模板创建对象

上面的两段代码完成了类的定义，接下来就可以使用该类创建对象了。使用类模板创建对象时，需要指明具体的数据类型。

Point<int, int> p1(10, 20);
Point<int, float> p2(10, 15.5);
Point<float, char*> p3(12.4, "东经180度");

与函数模板不同的是，类模板在实例化时必须显式地指明数据类型，编译器不能根据给定的数据推演出数据类型。

除了对象变量，我们也可以使用对象指针的方式来实例化：

Point<float, float> *p1 = new Point<float, float>(10.6, 109.3);
Point<char*, char*> *p = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");

需要注意的是，赋值号两边都要指明具体的数据类型，且要保持一致。下面的写法是错误的

//赋值号两边的数据类型不一致
Point<float, float> *p = new Point<float, int>(10.6, 109);
//赋值号右边没有指明数据类型
Point<float, float> *p = new Point(10.6, 109);