C++模板template应用总结
引言
模板(Template)指C++程序设计设计语言中采用类型作为参数的程序设计,支持通用程序设计。C++ 的标准库提供许多有用的函数大多结合了模板的观念,如STL以及IO Stream。
函数模板
在c++入门中,很多人会接触swap(int&, int&)这样的函数类似代码如下:
void swap(int&a , int& b) { int temp = a; a = b; b = temp; }
但是如果是要支持long,string,自定义class的swap函数,代码和上述代码差不多,只是类型不同,这个时候就是我们定义swap的函数模板,就可以复用不同类型的swap函数代码,函数模板的声明形式如下:
template <class identifier> function_declaration; template <typename identifier> function_declaration;
swap函数模板的声明和定义代码如下:
//method.h template<typename T> void swap(T& t1, T& t2); #include "method.cpp"
//method.cpp template<typename T> void swap(T& t1, T& t2) { T tmpT; tmpT = t1; t1 = t2; t2 = tmpT; }
上述是模板的声明和定义了,那模板如何实例化呢,模板的实例化是编译器做的事情,与程序员无关,那么上述模板如何使用呢,代码如下:
//main.cpp #include <stdio.h> #include "method.h" int main() { //模板方法 int num1 = 1, num2 = 2; swap<int>(num1, num2); printf("num1:%d, num2:%d\n", num1, num2); return 0; }
这里使用swap函数,必须包含swap的定义,否则编译会出错,这个和一般的函数使用不一样。所以必须在method.h文件的最后一行加入#include "method.cpp"。
类模板
考虑我们写一个简单的栈的类,这个栈可以支持int类型,long类型,string类型等等,不利用类模板,我们就要写三个以上的stack类,其中代码基本一样,通过类模板,我们可以定义一个简单的栈模板,再根据需要实例化为int栈,long栈,string栈。
//statck.h template <class T> class Stack { public: Stack(); ~Stack(); void push(T t); T pop(); bool isEmpty(); private: T *m_pT; int m_maxSize; int m_size; }; #include "stack.cpp"
//stack.cpp template <class T> Stack<T>::Stack(){ m_maxSize = 100; m_size = 0; m_pT = new T[m_maxSize]; } template <class T> Stack<T>::~Stack() { delete [] m_pT ; } template <class T> void Stack<T>::push(T t) { m_size++; m_pT[m_size - 1] = t; } template <class T> T Stack<T>::pop() { T t = m_pT[m_size - 1]; m_size--; return t; } template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() { return m_size == 0; }
上述定义了一个类模板--栈,这个栈很简单,只是为了说明类模板如何使用而已,最多只能支持100个元素入栈,使用示例如下:
//main.cpp #include <stdio.h> #include "stack.h" int main() { Stack<int> intStack; intStack.push(1); intStack.push(2); intStack.push(3); while (!intStack.isEmpty()) { printf("num:%d\n", intStack.pop()); } return 0; }
模板参数
模板可以有类型参数,也可以有常规的类型参数int,也可以有默认模板参数,例如
template<class T, T def_val> class Stack{...}
上述类模板的栈有一个限制,就是最多只能支持100个元素,我们可以使用模板参数配置这个栈的最大元素数,如果不配置,就设置默认最大值为100,代码如下:
//statck.h template <class T,int maxsize = 100> class Stack { public: Stack(); ~Stack(); void push(T t); T pop(); bool isEmpty(); private: T *m_pT; int m_maxSize; int m_size; }; #include "stack.cpp"
//stack.cpp template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::Stack(){ m_maxSize = maxsize; m_size = 0; m_pT = new T[m_maxSize]; } template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::~Stack() { delete [] m_pT ; } template <class T,int maxsize> void Stack<T, maxsize>::push(T t) { m_size++; m_pT[m_size - 1] = t; } template <class T,int maxsize> T Stack<T, maxsize>::pop() { T t = m_pT[m_size - 1]; m_size--; return t; } template <class T,int maxsize> bool Stack<T, maxsize>::isEmpty() { return m_size == 0; }
使用示例如下:
//main.cpp #include <stdio.h> #include "stack.h" int main() { int maxsize = 1024; Stack<int,1024> intStack; for (int i = 0; i < maxsize; i++) { intStack.push(i); } while (!intStack.isEmpty()) { printf("num:%d\n", intStack.pop()); } return 0; }
模板专门化
当我们要定义模板的不同实现,我们可以使用模板的专门化。例如我们定义的stack类模板,如果是char*类型的栈,我们希望可以复制char的所有数据到stack类中,因为只是保存char指针,char指针指向的内存有可能会失效,stack弹出的堆栈元素char指针,指向的内存可能已经无效了。还有我们定义的swap函数模板,在vector或者list等容器类型时,如果容器保存的对象很大,会占用大量内存,性能下降,因为要产生一个临时的大对象保存a,这些都需要模板的专门化才能解决。
函数模板专门化
假设我们swap函数要处理一个情况,我们有两个很多元素的vector<int>,在使用原来的swap函数,执行tmpT = t1要拷贝t1的全部元素,占用大量内存,造成性能下降,于是我们系统通过vector.swap函数解决这个问题,代码如下:
//method.h template<class T> void swap(T& t1, T& t2); #include "method.cpp"
#include <vector> using namespace std; template<class T> void swap(T& t1, T& t2) { T tmpT; tmpT = t1; t1 = t2; t2 = tmpT; } template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) { t1.swap(t2); }
template<>前缀表示这是一个专门化,描述时不用模板参数,使用示例如下:
//main.cpp #include <stdio.h> #include <vector> #include <string> #include "method.h" int main() { using namespace std; //模板方法 string str1 = "1", str2 = "2"; swap(str1, str2); printf("str1:%s, str2:%s\n", str1.c_str(), str2.c_str()); vector<int> v1, v2; v1.push_back(1); v2.push_back(2); swap(v1, v2); for (int i = 0; i < v1.size(); i++) { printf("v1[%d]:%d\n", i, v1[i]); } for (int i = 0; i < v2.size(); i++) { printf("v2[%d]:%d\n", i, v2[i]); } return 0; }
vector<int>的swap代码还是比较局限,如果要用模板专门化解决所有vector的swap,该如何做呢,只需要把下面代码
template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) { t1.swap(t2); }
改为
template<class V> void swap(std::vector<V>& t1, std::vector<V>& t2) { t1.swap(t2); }
就可以了,其他代码不变。
类模板专门化
请看下面compare代码:
//compare.h template <class T> class compare { public: bool equal(T t1, T t2) { return t1 == t2; } };
#include <iostream> #include "compare.h" int main() { using namespace std; char str1[] = "Hello"; char str2[] = "Hello"; compare<int> c1; compare<char *> c2; cout << c1.equal(1, 1) << endl; //比较两个int类型的参数 cout << c2.equal(str1, str2) << endl; //比较两个char *类型的参数 return 0; }
在比较两个整数,compare的equal方法是正确的,但是compare的模板参数是char*时,这个模板就不能工作了,于是修改如下:
//compare.h #include <string.h> template <class T> class compare { public: bool equal(T t1, T t2) { return t1 == t2; } }; template<>class compare<char *> { public: bool equal(char* t1, char* t2) { return strcmp(t1, t2) == 0; } };
main.cpp文件不变,此代码可以正常工作。
模板类型转换
还记得我们自定义的Stack模板吗,在我们的程序中,假设我们定义了Shape和Circle类,代码如下:
//shape.h class Shape { }; class Circle : public Shape { };
然后我们希望可以这么使用:
//main.cpp #include <stdio.h> #include "stack.h" #include "shape.h" int main() { Stack<Circle*> pcircleStack; Stack<Shape*> pshapeStack; pcircleStack.push(new Circle); pshapeStack = pcircleStack; return 0; }
这里是无法编译的,因为Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父类,然而我们却希望代码可以这么工作,那我们就要定义转换运算符了,Stack代码如下:
//statck.h template <class T> class Stack { public: Stack(); ~Stack(); void push(T t); T pop(); bool isEmpty(); template<class T2> operator Stack<T2>(); private: T *m_pT; int m_maxSize; int m_size; }; #include "stack.cpp"
template <class T> Stack<T>::Stack(){ m_maxSize = 100; m_size = 0; m_pT = new T[m_maxSize]; } template <class T> Stack<T>::~Stack() { delete [] m_pT ; } template <class T> void Stack<T>::push(T t) { m_size++; m_pT[m_size - 1] = t; } template <class T> T Stack<T>::pop() { T t = m_pT[m_size - 1]; m_size--; return t; } template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() { return m_size == 0; } template <class T> template <class T2> Stack<T>::operator Stack<T2>() { Stack<T2> StackT2; for (int i = 0; i < m_size; i++) { StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]); } return StackT2; }
//main.cpp #include <stdio.h> #include "stack.h" #include "shape.h" int main() { Stack<Circle*> pcircleStack; Stack<Shape*> pshapeStack; pcircleStack.push(new Circle); pshapeStack = pcircleStack; return 0; }
这样,Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自动转换为Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果转换的类型是Stack<int>到Stack<Shape>,编译器会报错。
其他
一个类没有模板参数,但是成员函数有模板参数,是可行的,代码如下:
class Util { public: template <class T> bool equal(T t1, T t2) { return t1 == t2; } }; int main() { Util util; int a = 1, b = 2; util.equal<int>(1, 2); return 0; }
甚至可以把Util的equal声明为static,代码如下:
class Util { public: template <class T> static bool equal(T t1, T t2) { return t1 == t2; } }; int main() { int a = 1, b = 2; Util::equal<int>(1, 2); return 0; }