C++ 模板
模板是泛型编程的基础，泛型编程及以一种独立于任何特定类型的方式编写代码。
模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。库容器：比如迭代器，都是泛型编程的例子，他们都使用类模板的概念, 每个容器都有一个单一的定义，比如向量，我们可以定义许多不同类型的向量，比如vector <int>或 vector <string>。
模板是一种对类型进行参数化的工具，通常有两种形式：函数模板和类模板；
(1) 函数模板针对仅参数类型不同的函数；
(2) 类模板针对仅数据成员和成员函数类型不同的类。
使用模板让程序员能够编写与类型无关的代码。比如：编写一个交换两个int型的swap函数，这个函数就只能实现int型，对double，字符这些类型无法实现，要实现这些类型的交换就要重新写另一个swap函数。使用模板的目的就是要让这程序的实现与类型无关，比如一个swap模板函数，即可以实现int型，又可以实现double型的交换。
注意：模板的声明或定义只能在全局，命名空间或类范围内进行。即不能在局部范围，函数内进行，比如不能在main函数中声明或定义一个模板。
一、函数模板
在函数重载中，为了交换不同类型变量的值，通过函数重载定义了四个名字相同，参数列表不同的函数，如下所示：
//交换 int 变量的值
void Swap(int *a, int *b){
int temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
//交换 float 变量的值
void Swap(float *a, float *b){
float temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
这些函数虽然在调用时方便了一些，但从本质上说还是定义了功能相同、函数体相同的函数，只是数据的类型不同而已，这看起来有点浪费代码，能不能把它们压缩成一个函数呢？
能！可以借助本节讲的函数模板。
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。
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。
下面我们就来实践一下，将上面的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(){
//交换 int 变量的值
int n1 = 100, n2 = 200;
Swap(n1, n2);
cout<<n1<<", "<<n2<<endl;
//交换 float 变量的值
float f1 = 12.5, f2 = 56.93;
Swap(f1, f2);
cout<<f1<<", "<<f2<<endl;
return 0;
}
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。
注意：模板中typename和class关键字的区别？
template<typename T> class Widget; // uses "typename"
template<class T> class Widget; // uses "class"
typename关键字也可以使用class关键字替代。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。
但是，《Effective C++》中建议我们尽量使用typename而不是class来声明一个模板。因为class给人的感觉总像是T应该是一个类，或者说是用户自定义的类型，而typename则更像是表明T可以是任意一种类型。虽然在C++编译器看来，这两种声明方式没有任何的区别，其意义是完全一样的。
不过，typename关键字在模板中还有另一种用法: 使用嵌套依赖类型
class MyArray
{
public：
typedef int LengthType;
.....
}
template<class T>
void MyMethod(T myarr)
{
typedef typename T::LengthType LengthType;
LengthType length = myarr.GetLength;
}
这个时候typename的作用就是告诉c++编译器，typename后面的字符串为一个类型名称，而不是成员函数或者成员变量，这个时候如果前面没有typename，编译器没有任何办法知道T::LengthType是一个类型还是一个成员名称(静态数据成员或者静态函数)，所以编译不能够通过。
二、类模板
template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …> class 类名
{
//TODO:
};
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，请看下面的代码：
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:
}
// 第一行是模板头，第二行是函数头，它们可以合并到一行，不过为了让代码格式更加清晰，一般是将它们分成两行。
下面就对 Point 类的成员函数进行定义：
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;
}
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。请看下面的代码：
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);
综合示例
【实例1】将上面的类定义和类实例化的代码整合起来，构成一个完整的示例，如下所示：
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T1, class 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
};
template<class T1, class T2> //模板头
T1 Point<T1, T2>::getX() const /*函数头*/ {
return m_x;
}
template<class T1, class T2>
void Point<T1, T2>::setX(T1 x){
m_x = x;
}
template<class T1, class T2>
T2 Point<T1, T2>::getY() const{
return m_y;
}
template<class T1, class T2>
void Point<T1, T2>::setY(T2 y){
m_y = y;
}
int main(){
Point<int, int> p1(10, 20);
cout<<"x="<<p1.getX()<<", y="<<p1.getY()<<endl;
Point<int, char*> p2(10, "东经180度");
cout<<"x="<<p2.getX()<<", y="<<p2.getY()<<endl;
Point<char*, char*> *p3 = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");
cout<<"x="<<p3->getX()<<", y="<<p3->getY()<<endl;
return 0;
}
// x=10, y=20
// x=10, y=东经180度
// x=东经180度, y=北纬210度
【实例2】用类模板实现可变长数组。
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
template <class T>
class CArray
{
int size; //数组元素的个数
T *ptr; //指向动态分配的数组
public:
CArray(int s = 0); //s代表数组元素的个数
CArray(CArray & a);
~CArray();
void push_back(const T & v); //用于在数组尾部添加一个元素v
CArray & operator=(const CArray & a); //用于数组对象间的赋值
T length() { return size; }
T & operator[](int i)
{//用以支持根据下标访问数组元素，如a[i] = 4;和n = a[i]这样的语句
return ptr[i];
}
};
template<class T>
CArray<T>::CArray(int s):size(s)
{
if(s == 0)
ptr = NULL;
else
ptr = new T[s];
}
template<class T>
CArray<T>::CArray(CArray & a)
{
if(!a.ptr) {
ptr = NULL;
size = 0;
return;
}
ptr = new T[a.size];
memcpy(ptr, a.ptr, sizeof(T ) * a.size);
size = a.size;
}
template <class T>
CArray<T>::~CArray()
{
if(ptr) delete [] ptr;
}
template <class T>
CArray<T> & CArray<T>::operator=(const CArray & a)
{ //赋值号的作用是使"="左边对象里存放的数组，大小和内容都和右边的对象一样
if(this == & a) //防止a=a这样的赋值导致出错
return * this;
if(a.ptr == NULL) { //如果a里面的数组是空的
if( ptr )
delete [] ptr;
ptr = NULL;
size = 0;
return * this;
}
if(size < a.size) { //如果原有空间够大，就不用分配新的空间
if(ptr)
delete [] ptr;
ptr = new T[a.size];
}
memcpy(ptr,a.ptr,sizeof(T)*a.size);
size = a.size;
return *this;
}
template <class T>
void CArray<T>::push_back(const T & v)
{ //在数组尾部添加一个元素
if(ptr) {
T *tmpPtr = new T[size+1]; //重新分配空间
memcpy(tmpPtr,ptr,sizeof(T)*size); //拷贝原数组内容
delete []ptr;
ptr = tmpPtr;
}
else //数组本来是空的
ptr = new T[1];
ptr[size++] = v; //加入新的数组元素
}
int main()
{
CArray<int> a;
for(int i = 0;i < 5;++i)
a.push_back(i);
for(int i = 0; i < a.length(); ++i)
cout << a[i] << " ";
cout << endl;
return 0;
}
// 0 1 2 3 4
