c++泛型编程与模板-02类模板
类模板详解
类模板的定义及实例化
template<class 模板参数>
class 类名 {
// 类定义
};
template<typename 模板参数>
class 类名 {
// 类定义
};
其中: template是声明类模板的关键字，表示声明一个模板，模板参数可以是一个，也可以是多个，可以是类型参数 ，也可以是非类型参数。类型参数由关键字class或typename及其后面的标识符构成。非类型参数由一个普通参数构成，代表模板定义中的一个常量。
一般情况下，类模板的声明和实现在一个头文件内完成。如果采用声明实现分离的方式，在.h文件中声明，在.hpp文件中实现，使用该类模板时include目标.hpp文件。
Example01
// mytemplate.h
template<class T>
class MathOp {
public:
T add(T &a, T &b);
};
// mytemplate.hpp
#include "mytemplate.h"
template<class T>
T MathOp<T>::add(T &a, T &b)
{
T res = a + b;
return res;
}
// main.cpp
#include // type为类型参数，width为非类型参数
template<class type, int width>
- 如果在全局域中声明了与模板参数同名的变量，则该变量被隐藏掉
- 模板参数名不能被当作类模板定义中类成员的名字
- 同一个模板参数名在模板参数表中只能出现一次
- 在不同的类模板或声明中，模板参数名可以被重复使用
typedef string type; template <class type, int width> class Graphics { type node; //* node 不是string类型 typedef double type; ///! error: 成员函数不能与模板参数type同名 }; template <class T, class T> ///! error:重复使用名为T的参数 class Rect; template <class T> //* 参数名"T"在不同模板间可以重复使用 class Round; - 在类模板的前向声明和定义中，模板参数的名字可以不同
/// MyStack声明都引用同一个类模板的声明 template <class T> class MyStack; template <class U> class MyStack; template <class Tp> class MyStack { //* 模板定义中智能引用名字"Tp",不能引用"T"和"U" }; - 类模板参数可以有缺省实参，给参数提供缺省实参的顺序是先右后左
template <class T, int size = 16> class MyStack; - 类模板名可以被用作一个类型指示符。当一个类模板名被用作另一个模板定义中的类型指示符时，必须指定完整的实参表
template <typename T> class Graphics { T* next; //* 在类模板自己的定义中不需要指定完整模板参数表 }; template <typename T> void show(Graphics<T>& g) { Graphics<T>* pg = &g; //* 必须指定完整的模板参数表 }
类模板实例化
从通用的类模板定义中生成类的过程称为模板实例化
//* T是一个形参，同类型的实参值被提供给该形参
//* 指定的每个不同类型值都创建一个新类
template <typename T>
class Graphics {
T m_value;
};
// 类实例化
//* T被指定为int
class Graphics {
int m_value;
};
//* T被指定为double
class Graphics {
double m_value;
};
//* T被指定为string
class Graphics {
string m_value;
};
类模板实例化分为显示实例化和隐士实例化
- 显示实例化
template class Stack<int>; //将类模板实例化为一个处理int类型的Stack类 - 隐式实例化
Stack<char> charStack; // 先实例化一个CharStack类（名字由编译器按规则生成），然后用CharStack char Stack;创建一个对象 Stack<int> intStack; // 实例化一个IntStack类，在调用IntStack intStack;创建一个对象
类模板实例化的时机
- 当使用了类模板实例的名字，并且上下文环境要求存在类的定义时
- 对象类型是一个类模板实例，当对象被定义时。此点被称作类的实例化点
- 一个指针或引用指向一个类模板实例，当检查这个指针或引用所指的对象时
#includetemplate <typename T> class Graphics { // body }; void func(Graphics<char>); // 函数声明，不需要实例化 class Rect { Graphics<double>& rsd; // 声明一个类模板引用，不需要实例化 Graphics<int> si; // si是Graphics类型的对象，需要实例化类模板 }; void func(Graphics<char> p) { // todo } int main(int argc, char** argv) { Graphics<char>* sc; // 声明一个类模板指针，不需要实例化 func(*sc); // 需要实例化，传递给函数func的是一个Graphics 对象 auto iobj = sizeof(Graphics<std::string>); // 需要实例化，因为sizeof会计算Graphics对象的大小， // 为了计算大小，编译器必须根据类模板定义产生该类型。 return 0; }
类模板的成员函数
- 类模板的成员函数可以在类模板的定义中定义(inline函数)，也可以在类模板定义之外定义(此时成员函数定义前面必须加上template及模板参数)
- 类模板成员函数本身也是一个模板，类模板被实例化时它并不自动被实例化，只有当它被调用或取地址，才被实例化
- 类中的虚函数不能用类型参数模板
template <typename T> class Graphics { public: Graphics() {} // 成员函数定义在类模板的定义中 void print() {} // 类中的虚函数不能用类型参数模板 // template// virtual void func(U value) { // // } private: T m_value; }; // 成员函数定义在类模板定义之外 template <typename T> void Graphics<T>::print() { } - 普通类的成员函数模板
#include// 普通类 class MyTest { public: // 成员函数模板 template <typename U> void func(U val) { std::cout << "type=" << typeid(val).name() << " value:" << val << std::endl; } }; int main() { MyTest test; test.func(100); // 普通类的成员函数模板：自动类型推导为int test.func(10.0);// 普通类的成员函数模板：自动类型推导为double return 0; } // 输出 // type=i value:100 // type=d value:10 - 类模板的成员函数模板
#include// 类模板 template <typename T> class MyTest { public: MyTest(T val) : m_val(val) {} // 普通成员函数 void print() { std::cout << "print() type=" << typeid(m_val).name() << " m_val:" << m_val << std::endl; } // 成员函数模板 template <typename U> void func(U val) { std::cout << "template type=" << typeid(val).name() << " value:" << val << std::endl; } private: T m_val; }; int main() { MyTest<int> test(100); // 类模板实例化，显示指定类型T-> int test.print(); test.func(10.0); // 类模板的成员函数模板，自动推导出U-> double MyTest<double> test1(100.0); // 类模板实例化，显示指定类型T-> double test1.print(); test1.func(10); // 类模板的成员函数模板，自动推导出U-> int return 0; } // 输出 // print() type=i m_val:100 // template type=d value:10 // print() type=d m_val:100 // template type=i value:10
拷贝构造函数模板与拷贝赋值运算符模板
template <typename T>
class MyTest {
public:
// 构造函数模板
template <typename U>
MyTest(U value)
{
std::cout << "类模板泛化" << std::endl;
}
// 拷贝构造函数模板
template <typename T1>
MyTest(const MyTest<T1>& other)
{
std::cout << "拷贝构造函数模板" << std::endl;
}
// 拷贝赋值运算符模板
template <typename T2>
MyTest<T> & operator=(const MyTest<T2>& other)
{
std::cout << "拷贝赋值运算符模板" << std::endl;
}
// 成员函数模板
template <typename V>
void func(V param)
{
std::cout << "func param" << param << std::endl;
}
T m_value1;
static int m_static_value; // 静态成员变量
};
类模板特例化
类模板的特化分为全特化与偏特化两种方式
全特化:对于全特化，类的所有参数都与模板类的所有参数一一对应
- 普通成员函数全特化
- 静态成员变量全特化
template <typename T, typename U> struct MyTest { MyTest() { std::cout << "类模板泛化" << std::endl; } void func() { std::cout << "func函数泛化" << std::endl; } static int m_value;// 静态成员变量 }; // 普通成员函数全特化 template <> void MyTest<int, double>::func() { std::cout << "func全特化" << std::endl; } template<typename T, typename U> int MyTest<T, U>::m_value = 10; // 静态成员函数全特化 template<typename T, typename U> int MyTest<int, double>::m_value = 10;
偏特化：偏特化位于全特化和模板类之间，只对模板类的部分参数进行显示声明。类模板的偏特化主要有以下两个方面：一个是类模板参数变量的偏特化；另外一个是类模板参数范围上的偏特化；
- 模板参数数量上的偏特化：在某个固定变量类型，其它变量未确定的偏特化类模板
- 模板参数范围上的偏特化：变量作用域变小，T-> const T, T-> T*等
- 类的成员函数、成员变量不支持独立偏特化
// 模板类 template <typename T1, typename T2> class Base { public: void func(T1& a, T2& b) { std::cout << "模板类： a = " << a << " b = " << b << std::endl; } }; // 全特化 // T1->int, T2-> double template <> class Base<int, double> { public: void func(int& a, double& b) { std::cout << "全特化类： a = " << a << " b = " << b << std::endl; } }; // 偏特化 // T1->默认为模板参数，T2-> double template <typename T> class Base<T, double> { public: void func(T& a, double& b) { std::cout << "偏特化类： a = " << a << " b = " << b << std::endl; } };
全特化类与偏特化类优先级:全特化 > 偏特化 > 模板类
类模板的嵌套特化
#include 类模板的友元
- 普通类作为类模板的友元
#include// 类模板 template <typename T> class A { private: T m_value; friend class B; }; // 普通类 class B { public: void func() { A<int> a; a.m_value = 10; std::cout << a.m_value << std::endl; } }; int main(int argc, char** argv) { B b; b.func(); return 0; } - 特化版类模板作为另外一个类模板的友元
#includetemplate <typename U> class B; // 类模板 template <typename T> class A { private: T m_value; friend class B<double>; // 类模板B的特化 }; template <typename U> class B { public: void func() { A<double> a; // a.m_value = 10; std::cout << a.m_value << std::endl; } }; int main(int argc, char** argv) { B<double> b; // 必须和A中friend指定的参数一致 b.func(); //--------------------------- // compile error // B b1; // b1.func(); /* main.cpp: In instantiation of ‘void B::func() [with U = int]’: main.cpp:31:12: required from here main.cpp:20:11: error: ‘double A::m_value’ is private within this context 20 | a.m_value = 10; | ~~^~~~~~~ main.cpp:10:7: note: declared private here 10 | T m_value; | ^~~~~~~ main.cpp:21:24: error: ‘double A return 0; }::m_value’ is private within this context 21 | std::cout << a.m_value << std::endl; | ~~^~~~~~~ main.cpp:10:7: note: declared private here 10 | T m_value; */ - 泛化版类模板作为另一个类模板的友元
#includetemplate <typename U> class B; // 类模板 template <typename T> class A { private: T m_value; template <typename U> friend class B; }; template <typename U> class B { public: void func() { A<double> a; a.m_value = 10; std::cout << a.m_value << std::endl; } }; int main(int argc, char** argv) { B<double> b; b.func(); B<int> b1; b1.func(); return 0; } - 类类型参数做类模板的友元
类模板的继承
- 父类是特化的模板类，子类是普通类
class Derived ： public Base{} - 父类是普通类，子类是模板
templateclass Derived ： public Base {} - 父类和子类都是模板
templateclass Derived : public Base {} - 如果父类和子类都是模板，子类在访问父类的数据成员和函数成员时，必须使用this->或者Base::对目标成员进行限定