第五章 C++模板
5.1 模板概论
c++提供了函数模板(function template.)所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就成为函数模板。 凡是函数体相同的函数都可以用这个模板代替，不必定义多个函数，只需在模板中定义一次即可。在调用函数时系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现不同函数的功能。
- c++提供两种模板机制:函数模板和类模板
- 类属 - 类型参数化，又称参数模板
总结：
- 模板把函数或类要处理的数据类型参数化，表现为参数的多态性，成为类属。
- 模板用于表达逻辑结构相同，但具体数据元素类型不同的数据对象的通用行为。
5.2 函数模板
5.2.1 什么是函数模板？
//交换int数据
void SwapInt(int& a,int& b){
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//交换char数据
void SwapChar(char& a,char& b){
char temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//问题：如果我要交换double类型数据，那么还需要些一个double类型数据交换的函数
//繁琐，写的函数越多，当交换逻辑发生变化的时候，所有的函数都需要修改，无形当中增加了代码的维护难度
//如果能把类型作为参数传递进来就好了，传递int就是Int类型交换，传递char就是char类型交换
//我们有一种技术，可以实现类型的参数化---函数模板
//class 和 typename都是一样的，用哪个都可以
template
void MySwap(T& a,T& b){
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
void test01(){
int a = 10;
int b = 20;
cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
//1. 这里有个需要注意点，函数模板可以自动推导参数的类型
MySwap(a,b);
cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
char c1 = 'a';
char c2 = 'b';
cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;
//2. 函数模板可以自动类型推导，那么也可以显式指定类型
MySwap(c1, c2);
cout << "c1:" << c1 << " c2:" << c2 << endl;
}
用模板是为了实现泛型，可以减轻编程的工作量，增强函数的重用性。
5.2.2 课堂练习
使用函数模板实现对char和int类型数组进行排序？
//模板打印函数
template
void PrintArray(T arr[],int len){
for (int i = 0; i < len;i++){
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
//模板排序函数
template
void MySort(T arr[],int len){
for (int i = 0; i < len;i++){
for (int j = len - 1; j > i;j--){
if (arr[j] > arr[j - 1]){
T temp = arr[j - 1];
arr[j - 1] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
}
}
void test(){
//char数组
char tempChar[] = "aojtifysn";
int charLen = strlen(tempChar);
//int数组
int tempInt[] = {7,4,2,9,8,1};
int intLen = sizeof(tempInt) / sizeof(int);
//排序前 打印函数
PrintArray(tempChar, charLen);
PrintArray(tempInt, intLen);
//排序
MySort(tempChar, charLen);
MySort(tempInt, intLen);
//排序后打印
PrintArray(tempChar, charLen);
PrintArray(tempInt, intLen);
}
5.3 函数模板和普通函数区别
- 函数模板不允许自动类型转化
- 普通函数能够自动进行类型转化
//函数模板
template
T MyPlus(T a, T b){
T ret = a + b;
return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a,char b){
int ret = a + b;
return ret;
}
void test02(){
int a = 10;
char b = 'a';
//调用函数模板，严格匹配类型
MyPlus(a, a);
MyPlus(b, b);
//调用普通函数
MyPlus(a, b);
//调用普通函数 普通函数可以隐式类型转换
MyPlus(b, a);
//结论：
//函数模板不允许自动类型转换，必须严格匹配类型
//普通函数可以进行自动类型转换
}
5.4 函数模板和普通函数在一起调用规则
- c++编译器优先考虑普通函数
- 可以通过空模板实参列表的语法限定编译器只能通过模板匹配
- 函数模板可以像普通函数那样可以被重载
- 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
//函数模板
template
T MyPlus(T a, T b){
T ret = a + b;
return ret;
}
//普通函数
int MyPlus(int a, int b){
int ret = a + b;
return ret;
}
void test03(){
int a = 10;
int b = 20;
char c = 'a';
char d = 'b';
//如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数
cout << MyPlus(a, b) << endl;
//如果我必须要调用函数模板,那么怎么办?
cout << MyPlus<>(a, b) << endl;
//此时普通函数也可以匹配，因为普通函数可以自动类型转换
//但是此时函数模板能够有更好的匹配
//如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
cout << MyPlus(c,d);
}
//函数模板重载
template
T MyPlus(T a, T b, T c){
T ret = a + b + c;
return ret;
}
void test04(){
int a = 10;
int b = 20;
int c = 30;
cout << MyPlus(a, b, c) << endl;
//如果函数模板和普通函数都能匹配，c++编译器优先考虑普通函数
}
5.5 模板机制剖析
思考:为什么函数模板可以和普通函数放在一起?c++编译器是如何实现函数模板机制的？
5.5.1编译过程
hello.cpp程序是高级c语言程序，这种程序易于被人读懂。为了在系统上运行hello.c程序，每一条c语句都必须转化为低级的机器指令。然后将这些机器指令打包成可执行目标文件格式，并以二进制形式存储于磁盘中。
预处理(Pre-processing) -> 编译(Compiling) ->汇编(Assembling) -> 链接(Linking)
在这里插入图片描述
5.5.2 模板实现机制
函数模板机制结论：
- 编译器并不是把函数模板处理成能够处理任何类型的函数
- 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，在声明的地方对模板代码本身进行编译，在调用的地方对参数替换后的代码进行编译。
5.6模板的局限性
假设有如下模板函数：
template
void f(T a, T b)
{ … }
如果代码实现时定义了赋值操作 a = b，但是T为数组，这种假设就不成立了
同样，如果里面的语句为判断语句 if(a>b),但T如果是结构体，该假设也不成立，另外如果是传入的数组，数组名为地址，因此它比较的是地址，而这也不是我们所希望的操作。
总之，编写的模板函数很可能无法处理某些类型，另一方面，有时候通用化是有意义的，但C++语法不允许这样做。为了解决这种问题，可以提供模板的重载，为这些特定的类型提供具体化的模板。
class Person
{
public:
Person(string name, int age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
string mName;
int mAge;
};
//普通交换函数
template
void mySwap(T &a,T &b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//第三代具体化，显示具体化的原型和定意思以template<>开头，并通过名称来指出类型
//具体化优先于常规模板
template<>void mySwap(Person &p1, Person &p2)
{
string nameTemp;
int ageTemp;
nameTemp = p1.mName;
p1.mName = p2.mName;
p2.mName = nameTemp;
ageTemp = p1.mAge;
p1.mAge = p2.mAge;
p2.mAge = ageTemp;
}
void test()
{
Person P1("Tom", 10);
Person P2("Jerry", 20);
cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;
cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;
mySwap(P1, P2);
cout << "P1 Name = " << P1.mName << " P1 Age = " << P1.mAge << endl;
cout << "P2 Name = " << P2.mName << " P2 Age = " << P2.mAge << endl;
}
5.7 类模板
5.7.1 类模板基本概念
类模板和函数模板的定义和使用类似，我们已经进行了介绍。有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同。
- 类模板用于实现类所需数据的类型参数化
template
class Person
{
public:
Person(NameType name, AgeType age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson()
{
cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
void test01()
{
//Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导
PersonP1("德玛西亚", 18);
P1.showPerson();
}
5.7.2 类模板做函数参数
//类模板
template
class Person{
public:
Person(NameType name, AgeType age){
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void PrintPerson(){
cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
//类模板做函数参数
void DoBussiness(Person& p){
p.mAge += 20;
p.mName += "_vip";
p.PrintPerson();
}
int main(){
Person p("John", 30);
DoBussiness(p);
system("pause");
return EXIT_SUCCESS;
}
5.7.3 类模板派生普通类
//类模板
template
class MyClass{
public:
MyClass(T property){
this->mProperty = property;
}
public:
T mProperty;
};
//子类实例化的时候需要具体化的父类，子类需要知道父类的具体类型是什么样的
//这样c++编译器才能知道给子类分配多少内存
//普通派生类
class SubClass : public MyClass{
public:
SubClass(int b) : MyClass(20){
this->mB = b;
}
public:
int mB;
};
5.7.4 类模板派生类模板
//父类类模板
template
class Base
{
T m;
};
template
class Child2 : public Base //继承类模板的时候，必须要确定基类的大小
{
public:
T mParam;
};
void test02()
{
Child2 d2;
}
5.7.5 类模板类内实现
template
class Person
{
public:
Person(NameType name, AgeType age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson()
{
cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
void test01()
{
//Person P1("德玛西亚",18); // 类模板不能进行类型自动推导
PersonP1("德玛西亚", 18);
P1.showPerson();
}
5.7.6 类模板类外实现
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
using namespace std;
template
class Person{
public:
Person(T1 name, T2 age);
void showPerson();
public:
T1 mName;
T2 mAge;
};
//类外实现
template
Person::Person(T1 name, T2 age){
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
template
void Person::showPerson(){
cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
void test()
{
Person p("Obama", 20);
p.showPerson();
}
int main(){
test();
system("pause");
return EXIT_SUCCESS;
}
5.7.7 类模板头文件和源文件分离问题
Person.hpp
#pragma once
template
class Person{
public:
Person(T1 name,T2 age);
void ShowPerson();
public:
T1 mName;
T2 mAge;
};
template
Person::Person(T1 name, T2 age){
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
template
void Person::ShowPerson(){
cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
main.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
using namespace std;
#include
#include"Person.hpp"
//模板二次编译
//编译器编译源码 逐个编译单元编译的
int main(){
Person p("Obama", 20);
p.ShowPerson();
system("pause");
return EXIT_SUCCESS;
}
结论:
案例代码在qt编译器顺利通过编译并执行，但是在Linux和vs编辑器下如果只包含头文件，那么会报错链接错误，需要包含cpp文件，但是如果类模板中有友元类，那么编译失败！
解决方案: 类模板的声明和实现放到一个文件中，我们把这个文件命名为.hpp(这个是个约定的规则，并不是标准，必须这么写).
原因：
- 类模板需要二次编译，在出现模板的地方编译一次，在调用模板的地方再次编译。
- C++编译规则为独立编译。
5.7.8 模板类碰到友元函数
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
using namespace std;
#include
template class Person;
//告诉编译器这个函数模板是存在
template void PrintPerson2(Person& p);
//友元函数在类内实现
template
class Person{
//1. 友元函数在类内实现
friend void PrintPerson(Person& p){
cout << "Name:" << p.mName << " Age:" << p.mAge << endl;
}
//2.友元函数类外实现
//告诉编译器这个函数模板是存在
friend void PrintPerson2<>(Person& p);
//3. 类模板碰到友元函数模板
template
friend void PrintPerson(Person& p);
public:
Person(T1 name, T2 age){
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson(){
cout << "Name:" << this->mName << " Age:" << this->mAge << endl;
}
private:
T1 mName;
T2 mAge;
};
void test01()
{
Person p("Jerry", 20);
PrintPerson(p);
}
// 类模板碰到友元函数
//友元函数类外实现 加上<>空参数列表，告诉编译去匹配函数模板
template
void PrintPerson2(Person& p)
{
cout << "Name2:" << p.mName << " Age2:" << p.mAge << endl;
}
void test02()
{
Person p("Jerry", 20);
PrintPerson2(p); //不写可以编译通过，写了之后，会找PrintPerson2的普通函数调用，因为写了普通函数PrintPerson2的声明
}
int main(){
//test01();
test02();
system("pause");
return EXIT_SUCCESS;
}
5.8 类模板的应用
设计一个数组模板类(MyArray),完成对不同类型元素的管理
#pragma once
template
class MyArray
{
public:
explicit MyArray(int capacity)
{
this->m_Capacity = capacity;
this->m_Size = 0;
// 如果T是对象，那么这个对象必须提供默认的构造函数
pAddress = new T[this->m_Capacity];
}
//拷贝构造
MyArray(const MyArray & arr)
{
this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
this->m_Size = arr.m_Size;
this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
for (int i = 0; i < this->m_Size;i++)
{
this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
}
}
//重载[] 操作符 arr[0]
T& operator [](int index)
{
return this->pAddress[index];
}
//尾插法
void Push_back(const T & val)
{
if (this->m_Capacity == this->m_Size)
{
return;
}
this->pAddress[this->m_Size] = val;
this->m_Size++;
}
void Pop_back()
{
if (this->m_Size == 0)
{
return;
}
this->m_Size--;
}
int getSize()
{
return this->m_Size;
}
//析构
~MyArray()
{
if (this->pAddress != NULL)
{
delete[] this->pAddress;
this->pAddress = NULL;
this->m_Capacity = 0;
this->m_Size = 0;
}
}
private:
T * pAddress; //指向一个堆空间，这个空间存储真正的数据
int m_Capacity; //容量
int m_Size; // 大小
};
测试代码：
class Person{
public:
Person(){}
Person(string name, int age){
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
public:
string mName;
int mAge;
};
void PrintMyArrayInt(MyArray& arr){
for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++){
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
void PrintMyPerson(MyArray& personArr)
{
for (int i = 0; i < personArr.getSize(); i++){
cout << "姓名：" << personArr[i].mName << " 年龄： " << personArr[i].mAge << endl;
}
}
MyArray myArrayInt(10);
for (int i = 0; i < 9; i++)
{
myArrayInt.Push_back(i);
}
myArrayInt.Push_back(100);
PrintMyArrayInt(myArrayInt);
MyArray myArrayPerson(10);
Person p1("德玛西亚", 30);
Person p2("提莫", 20);
Person p3("孙悟空",18);
Person p4("赵信", 15);
Person p5("赵云", 24);
myArrayPerson.Push_back(p1);
myArrayPerson.Push_back(p2);
myArrayPerson.Push_back(p3);
myArrayPerson.Push_back(p4);
myArrayPerson.Push_back(p5);