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

2.1 类模板
2.2 多参数类模板与特化
2.3 特化的深度分析

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
1. 优点：代码复用，适合所有的类型
2. 缺点：编译器不知道宏的存在，缺少类型检查
定义函数
1. 优点：真正的函数调用，编译器对类型进行检查
2. 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
1. 对模板代码本身进行编译
2. 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
1. 自动推导类型时，必须严格匹配
2. 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
1. 从类模板通过具体类型产生不同的类
2. 在声明的地方对类模板代码本身进行编译
3. 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
1. 本质上是同一个类模板
特化类模板的使用方式是统一的
1. 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
1. 一个类模板和一个新类（或者两个类模板）
2. 使用的时候需要考虑如何选择的问题
特化
1. 以统一的方式使用内模板和特化类
2. 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