万字长文：C++模板与STL【模板】
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系列专栏：C++从基础到进阶
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- 1 模板
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- 1.1 函数模板
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- 1.1.1 函数模板语法
- 1.1.2 函数模板注意事项
- 1.1.3 函数模板案例
- 1.1.4 普通函数与函数模板的区别
- 1.1.5 普通函数与函数模板的调用规则
- 1.1.6 模板的局限性
- 1.2 类模板
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- 1.2.1 类模板语法
- 1.2.2 类模板与函数模板区别
- 1.2.3 类模板中成员函数创建时机
- 1.2.4 类模板对象做函数参数
- 1.2.5 类模板与继承
- 1.2.6 类模板成员函数类外实现
- 1.2.7 类模板分文件编写
- 1.2.8 类模板与友元
- 1.2.9 类模板案例
- 2总结
1 模板
1.1 函数模板
-
C++另一种编程思想称为 泛型编程 ，主要利用的技术就是模板
-
C++提供两种模板机制:函数模板和类模板
1.1.1 函数模板语法
函数模板作用：
建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。
语法：
template<typename T> //声明一个模板，告诉编译器后面代码钟紧跟着的T不要报错，表示T是一个通用的数据类型
//函数声明或定义
解释：
template — 声明创建模板
typename — 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T — 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母
示例：
//交换整型函数
void swapInt(int& a, int& b) {
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//交换浮点型函数
void swapDouble(double& a, double& b) {
double temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//利用模板提供通用的交换函数
template<typename T>
void mySwap(T& a, T& b) //实际上，编译器可以根据传入的数据自动推断出T是什么
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
//swapInt(a, b);
//利用模板实现交换
//1、自动类型推导
mySwap(a, b);
//2、显示指定类型
mySwap<int>(a, b);
cout << "a = " << a << endl;
cout << "b = " << b << endl;
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
总结：
- 函数模板利用关键字 template
- 使用函数模板有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
- 模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化
1.1.2 函数模板注意事项
注意事项：
-
自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
-
模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
一个模板对应一个函数，也就是说，一行模板支队它下面最接近它的函数有效。如果要使得其他函数也对其有效，则只能再写一个模板
示例：
//利用模板提供通用的交换函数
template<class T> //这里是typename还是class都一样
void mySwap(T& a, T& b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
// 1、自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
char c = 'c';
mySwap(a, b); // 正确，可以推导出一致的T
//mySwap(a, c); // 错误，推导不出一致的T类型
}
// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func()
{
cout << "func 调用" << endl;
}
void test02()
{
//func(); //错误，模板不能独立使用，必须确定出T的类型
//虽然此处的func并没有参数，因此不传入参数，也就不能让编译器进行自动类型推导，但是由于写在template的后面，因此必须要指定T的类型，因此就必须显式的指定
func<int>(); //利用显示指定类型的方式，给T一个类型(随便一个都可以)，才可以使用该模板
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}
总结：
- 使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型
1.1.3 函数模板案例
案例描述：
- 利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序
- 排序规则从大到小，排序算法为选择排序
- 分别利用char数组和int数组进行测试
示例：
//交换的函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T&b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
template<class T> // 也可以替换成typename
//利用选择排序，进行对数组从大到小的排序
void mySort(T arr[], int len)
{
for (int i = 0; i < len; i++)
{
int max = i; //最大数的下标
for (int j = i + 1; j < len; j++)
{
if (arr[max] < arr[j])
{
max = j;
}
}
if (max != i) //如果最大数的下标不是i，交换两者
{
mySwap(arr[max], arr[i]);
}
}
}
template<typename T>
void printArray(T arr[], int len) {
for (int i = 0; i < len; i++) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
void test01()
{
//测试char数组
char charArr[] = "bdcfeagh";
int num = sizeof(charArr) / sizeof(char); '//获取数组长度
mySort(charArr, num);
printArray(charArr, num);
}
void test02()
{
//测试int数组
int intArr[] = { 7, 5, 8, 1, 3, 9, 2, 4, 6 };
int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);
mySort(intArr, num);
printArray(intArr, num);
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}
总结：模板可以提高代码复用，需要熟练掌握
1.1.4 普通函数与函数模板的区别
普通函数与函数模板区别：
- 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
- 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
- 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换
示例：
//普通函数
int myAdd01(int a, int b)
{
return a + b;
}
//函数模板
template<class T>
T myAdd02(T a, T b)
{
return a + b;
}
//使用函数模板时，如果用自动类型推导，不会发生自动类型转换,即隐式类型转换
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
char c = 'c';
cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确，将char类型的'c'隐式转换为int类型 'c' 对应 ASCII码 99
//自动类型推导
//myAdd02(a, c); // 报错，使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换。因为一个是int型，一个是char类型，编译器没法知道模板T到底是int还是char，因此报错
//显示指定类型
myAdd02<int>(a, c); //正确，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换。这样编译器就知道到底是转换哪种类型了
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
总结：建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T
1.1.5 普通函数与函数模板的调用规则
调用规则如下：
- 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
- 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
- 函数模板也可以发生重载
- 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
示例：
//普通函数与函数模板调用规则
void myPrint(int a, int b)
{
cout << "调用的普通函数" << endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b) //可以和上面的普通函数同时存在。类似于函数重载
{
cout << "调用的模板" << endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c) //模板之间发生了重载
{
cout << "调用重载的模板" << endl;
}
void test01()
{
//1、如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
// 注意 如果告诉编译器 普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到
int a = 10;
int b = 20;
myPrint(a, b); //调用普通函数
//假如普通函数是这样void myPrint(int a, int b)，那么也会调用普通函数，结果是会报错，因为函数没有实现
//2、可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
myPrint<>(a, b); //调用函数模板
//3、函数模板也可以发生重载
int c = 30;
myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板
//4、 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
char c1 = 'a';
char c2 = 'b';
myPrint(c1, c2); //调用函数模板
//虽然可以将char类型的隐式的转换为int型，但是显然调用函数模板更为合理（T为char），因此会调用函数模板
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
总结：既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性
1.1.6 模板的局限性
局限性：
- 模板的通用性并不是万能的
例如：
template<class T>
void f(T a, T b)
{
a = b;
}
在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了
再例如：
template<class T>
void f(T a, T b)
{
if(a > b) { ... }
}
在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行
因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板
示例：
#include总结：
- 利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
- 学习模板并不是为了写模板，而是在STL能够运用系统提供的模板
1.2 类模板
1.2.1 类模板语法
类模板作用：
- 建立一个通用类，类中的成员 数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。
语法：
template<typename T> //在类模板的后面紧跟着写一个类，就表示这个类是类模板。假如紧跟着写一个函数，就说明是一个函数模板
类
解释：
template — 声明创建模板
typename — 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T — 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母
示例：
#include 总结：类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板
1.2.2 类模板与函数模板区别
类模板与函数模板区别主要有两点：
- 类模板没有自动类型推导的使用方式
- 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
示例：
#include 总结：
- 类模板使用只能用显示指定类型方式
- 类模板中的模板参数列表可以有默认参数
1.2.3 类模板中成员函数创建时机
类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的：
- 普通类中的成员函数一开始就可以创建
- 类模板中的成员函数在调用时才创建
示例：
class Person1
{
public:
void showPerson1()
{
cout << "Person1 show" << endl;
}
};
class Person2
{
public:
void showPerson2()
{
cout << "Person2 show" << endl;
}
};
template<class T>
class MyClass
{
public:
T obj;
//类模板中的成员函数，并不是一开始就创建的，而是在模板调用时再生成
void fun1() { obj.showPerson1(); } //编译器一开始并不知道obj是什么类型，因此代码是可以通过编译的
void fun2() { obj.showPerson2(); }
};
void test01()
{
MyClass<Person1> m;
m.fun1();
//m.fun2();//编译会出错，因为之前创建对象的时候是MyClass，编译器就知道obj应该是Person1的对象，所以obj调用Person2的成员函数时就会出错。但是编译可以通过，这说明类模板只有在函数调用时才会去创建成员函数
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
总结：类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建
1.2.4 类模板对象做函数参数
学习目标：
- 类模板实例化出的对象，向函数传参的方式
一共有三种传入方式：
- 指定传入的类型 — 直接显示对象的数据类型
- 参数模板化 — 将对象中的参数变为模板进行传递
- 整个类模板化 — 将这个对象类型 模板化进行传递
示例：
#include 头文件
cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
void test02()
{
Person <string, int >p("猪八戒", 90);
printPerson2(p);
}
//3、整个类模板化 //将整个Person类视为一个数据类型，也将其模板化
template<class T>
void printPerson3(T & p)
{
cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
p.showPerson();
}
void test03()
{
Person <string, int >p("唐僧", 30);
printPerson3(p);
}
int main() {
test01();
test02();
test03();
system("pause");
return 0;
}
总结：
- 通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
- 使用比较广泛是第一种：指定传入的类型
1.2.5 类模板与继承
当类模板碰到继承时，需要注意一下几点：
- 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型
- 如果不指定，编译器无法给子类分配内存
- 如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板
示例：
template<class T>
class Base
{
T m;
};
//class Son:public Base //错误，c++编译需要给子类分配内存，必须知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son :public Base<int> //必须指定一个类型，也就是要知道父类中T的类型才可以继承
{
};
void test01()
{
Son c;
}
//如果想灵活指定父类中T的类型，子类就需要变成类模板
//类模板继承类模板 ,可以用T2指定父类中的T类型
template<class T1, class T2> //同时为父类和子类创建一个模板
class Son2 :public Base<T2>
{
public:
Son2()
{
cout << typeid(T1).name() << endl; //结果为int
cout << typeid(T2).name() << endl; //结果为char
}
};
void test02()
{
Son2<int, char> child1; //父类的T类型是int，子类的T类型是int
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}
总结：如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型
1.2.6 类模板成员函数类外实现
学习目标：能够掌握类模板中的成员函数类外实现
示例：
#include 总结：类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表
1.2.7 类模板分文件编写
学习目标：
- 掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式
问题：
- 类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到
解决：
- 解决方式1：直接包含.cpp源文件
- 解决方式2：将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制
一般思路的类模板分类编写的大致思路是这样的：
//person.h头文件的代码
#pragma once
template<class T1,class T2>
class Person {
public:
Person(T1 name, T2 age);
void showPerson();
T1 name;
T2 age;
};
//person.cpp源文件中的代码
#include但是真正运行时main函数中的前两行代码会出错，这是因为类模板中的成员函数在调用时才创建，所以程序在链接阶段不会将.cpp中对Person成员函数的实现包括进来，导致后面在main函数中使用这两个成员函数时出错。
解决思路1：直接包含源文件。既然编译器不会将.cpp的内容包含进来，就可以把#include "person.h"改为 #include “person.cpp”，而由于person.cpp中又包含了person.h，所以.h文件也会被包含进来。一般而言，不太使用，因为直接包含源码是不太好的
解决思路2：将.h和.cpp中的内容直接复制粘贴到一起，并将后缀名改为.hpp文件。
解决示例：
person.hpp中代码：
#pragma once
#include 类模板分文件编写.cpp中代码
#include总结：主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp
1.2.8 类模板与友元
学习目标：
- 掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现
全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可
全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在
示例：
#include void printPerson2(Person & p);
template<class T1, class T2> //单独把T1、T2拿出来，编译器是不认识的，所以要声明模板
void printPerson2(Person<T1, T2> & p) //全局函数做友元类外实现。由于是全局函数，所以此处不需要加作用域
{
cout << "类外实现 ---- 姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}
template<class T1, class T2>
class Person
{
//1、全局函数配合友元 类内实现（简单，推荐）
friend void printPerson(Person<T1, T2> & p)
{
cout << "姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}
//全局函数配合友元 类外实现
friend void printPerson2<>(Person<T1, T2> & p);
//类外实现的函数比类内实现的代码多了一个空参数列表<>。这是因为类外的全局函数是与一个函数模板，而如果Person类中的全局函数不加<>，它就是一个普通函数。因此不加<>，这两个东西就不一样。所以要加<>表示printPerson2也是一个函数模板。这样才可以让它在类外实现。
public:
Person(T1 name, T2 age)
{
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
private:
T1 m_Name;
T2 m_Age;
};
//1、全局函数在类内实现
void test01()
{
Person <string, int >p("Tom", 20);
printPerson(p);
}
//2、全局函数在类外实现
void test02()
{
Person <string, int >p("Jerry", 30);
printPerson2(p);
}
int main() {
//test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}
总结：建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别
1.2.9 类模板案例
案例描述: 实现一个通用的数组类，要求如下：
- 可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
- 将数组中的数据存储到堆区
- 构造函数中可以传入数组的容量
- 提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
- 提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
- 可以通过下标的方式访问数组中的元素
- 可以获取数组中当前元素个数和数组的容量
示例：
myArray.hpp中代码
#pragma once
#include 类模板案例—数组类封装.cpp中
#include "myArray.hpp"
#include 总结：
能够利用所学知识点实现通用的数组
2总结
在代码的舞台上，C++翩翩起舞。
纵观代码的山川大地，无边的可能在眼前延展， C++，是智慧的风，吹动着科技的帆船。
用韵律的二进制，谱写着自由的交响曲， C++，是数字艺术的荣光，闪烁在信息的星空。
愿C++永远如诗，激励创造者的灵感。
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