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泛型编程的第一步，掌握模板的特性！

2012 年 2 月 29 日


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认识
C++ 是很强大，有各种特性来提高代码的可重用性，有助于减少开发的代码量和工作量。
C++ 提高代码的可重用性主要有两方面：

  • 继承

  • 模板

继承的特性我已在前面篇章写过了「 C++ 一篇搞懂继承的常见特性
」。

本篇主要是说明「模板」的特性，
使用
「模板」的特性设计，实际上也就是「泛型」程序设计。


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函数模板

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01 变量交换函数模板

假设我们设
计一个交换两个整型变量的值的函数，代码如下：

// 交换两个整型变量的值的Swap函数：

void Swap(int & x,int & y)

{

    int tmp = x;

    x = y;

    y = tmp;

}

如果是浮点类型的变量的值交换，则需要把替换 int 类型为 double 即可，代码如下：

// 交换两个double型变量的值的Swap函数:

void Swap(double & x,double & y)

{

    double tmp = x;

    x = y;

    y = tmp;

}

那如果是其他变量类型的值交换，那不是每次都要重新写一次 
Swap
 函数？
是不是很繁琐？
且代码后面会越来越冗余。

能否只写一个 
Swap
 函数，就能交换各种类型的变量？

答案是肯定有的，就是用「函数模板」来解决，「函数模板」的形式：

template <class 类型参数1，class 类型参数2，...>

返回值类型 模板名 (形参表)

{

    函数体

};

具体 
Swap
 「函数模板」代码如下：

template 

void Swap(T & x,T & y)

{

    T tmp = x;

    x = y;

    y = tmp;

}

template
 就是模板定义的关键词，
T
 代表的是任意变量的类型。

那么定义好「函数模板」后，在编译的时候，编译器会根据传入 
Swap
 函数的参数变量类型，自动生成对应参数变量类型的 
Swap
 函数：

int main()

{

    int n = 1,m = 2;

    Swap(n,m); //编译器自动生成 void Swap(int & ,int & )函数

    

    double f = 1.2,g = 2.3;

    Swap(f,g); //编译器自动生成 void Swap(double & ,double & )函数

    

    return 0;

}

  • 第 4 行
    编译器自动生成 void Swap(int &, int & ) 函数；

  • 第 7 行

    编译器自动生成 void Swap(double &,  double 
    & ) 函数。

上
面的实例化函数模板的例子，是让编译器自己来判断传入的变量类型，那么我们也可以自己指定函数模板的变量类型，具体代码如下：

int main()

{

    int n = 1,m = 2;

    Swap<int>(n,m);     // 指定模板函数的变量类型为int

    

    double f = 1.2,g = 2.3;

    Swap<double>(f,g); // 指定模板函数的变量类型为double

    

    return 0;

}

  • 第 4 行指定模板函数的变量类型为 int ；

  • 第 7 行指定模板函数的变量类型为 double 。

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02 查询数组最大值函数模板

在举一个例子，下面的 
MaxElement
 函数定义成了函数模板，这样不管是 int、double、char 等类型的数组，都可以使用该函数来查数组最大的值，代码如下：

// 求数组最大元素的MaxElement函数模板

template <class T>

T MaxElement(T a[], int size) // size是数组元素个数

{

    T tmpMax = a[0];

    for(int i = 1;i < size;++i)

    {

        if(tmpMax < a[i])

        {

            tmpMax = a[i];

        }

    }

    return tmpMax;

}

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03 多个类型参数模板函数

函数模板中，可以不止一个类型的参数：

template <class T1, class T2>

T2 MyFun(T1 arg1, T2 arg2)

{

    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;

    return arg2;

}

T1
 是传入的第一种任意变量类型，
T2
 是传入的第二种任意变量类型。

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04 函数模板的重载

函数模板可以重载，只要它们的 形参表或类型参数表
不同即可。
见下面的例子：

// 模板函数 1

template<class T1, class T2>

void print(T1 arg1, T2 arg2)

{

    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;

}




// 模板函数 2

template<class T>

void print(T arg1, T arg2)

{

    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;

}




// 模板函数 3

template<class T,class T2>

void print(T arg1, T arg2)

{

    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;

}

上面都是 
print(参数1, 参数2)
 模板函数的重载，因为「形参表」或「类型参数表」名字不同。

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05 函数模板和函数的次序

在有多个函数和函数模板名字相同的情况下，编译器如下规则处理一条函数调用语句：

  1. 先找参数完全匹配的普通函数（非由模板实例化而得的函数）；

  2. 再找参数完全匹配的模板函数；

  3. 再找实参数经过自动类型转换后能够匹配的普通函数；

  4. 上面的都找不到，则报错。

代码例子如下：

// 模板函数 - 1个参数类型

template <class T>

T Max(T a, T b)

{

    cout << "TemplateMax" <<endl; return 0;

}




// 模板函数 - 2个参数类型

template <class T, class T2>

T Max(T a, T2 b)

{

    cout << "TemplateMax2" <<endl; return 0;

}




// 普通函数

double Max(double a, double b)

{

    cout << "MyMax" << endl;

    return 0;

}




int main()

{

    int i=4, j=5;

    

    // 输出MyMax - 匹配普通函数

    Max( 1.2, 3.4 );

    

    //输出TemplateMax - 匹配参数一样的模板函

    Max( i, j );

    

    //输出TemplateMax2 - 匹配参数类型不同的模板函数

    Max( 1.2, 3 );

    

    return 0;

}

  • 第 27 行，输出的是MyMax，因为匹配的是普通函数；

  • 第 30 行，输出的是输出TemplateMax，因为匹配参数一样的模板函；
  • 第 33 行，输出的是TemplateMax2，因为匹配参数类型不同的模板函数。

匹配模板函数时，当模板函数只有一个参数类型时，传入了不同的参数类型，是不进行类型自动转换，具体例子如下：

// 模板函数 - 1个参数类型

template<class T>

T myFunction( T arg1, T arg2)

{

    cout<<arg1<<" "<<arg2<<"\n";

    return arg1;

}




...




// OK ：替换 T 为 int 类型

myFunction( 5, 7);




// OK ：替换 T 为 double 类型

myFunction(5.8, 8.4);




// error ：没有匹配到myFunction(int, double)函数

myFunction(5, 8.4);

  • 第 12 行，可以正常执行，替换 T 为 int 类型；

  • 第 15 行，可以正常执行，替换 T 为 double 类型 ；
  • 第 18 行，会执行错误！因为没有匹配到 myFunction(int, double)函数。


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类模板

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01 类模板的定义

为了多快好省地定义出一批 相似的类，
可以定义「类模板」，然后 由类模板生成不同的类
。
类模板的定义形式如下：

template <class 类型参数1，class 类型参数2，...> //类型参数表

class 类模板名

{

   成员函数和成员变量

};

用类模板定义对象的写法：

类模板名 对象名(构造函数实参表);

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02 Pair类模板例子

接下来，用 Pair 类用类模板的方式的实现，Pair 是一对的意思，也就是实现一个键值对（key-value）的关系的类。
代码如下：

// 类模板

template <class T1, class T2>

class Pair

{

public:

    Pair(T1 k, T2 v):m_key(k),m_value(v) {};

    bool operator < (const Pair & p) const;

private:

    T1 m_key;

    T2 m_value;

};




// 类模板里成员函数的写法

template <class T1, class T2>

bool Pair::operator < (const Pair &p) const

{

    return m_value < p.m_value;

}




int main()

{

    Pair<string,int> Astudent("Jay",20);

    Pair<string,int> Bstudent("Tom",21);

    

    cout << (Astudent < Bstudent) << endl;

    

    return 0;

}

输出结果：
需要注意的是，同一个类模板的两个模板类是不兼容的：

Pair<string,int> *p;

Pair<string,double> a;

p = & a; //错误！！

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03 函数模板作为类模板成员

当函数模板作为类模板的成员函数时，是可以单独写成函数模板的形式，成员函数模板在使用的时候，编译器才会把函数模板根据传入的函数参数进行实例化，例子如下：

// 类模板

template <class T>

class A

{

public:

    template<class T2>

    void Func(T2 t) { cout << t; } // 成员函数模板

};




int main()

{

    A<int> a;

    a.Func('K');     //成员函数模板 Func被实例化

    a.Func("hello"); //成员函数模板 Func再次被实例化




    return 0;

}

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04 类模板与非类型参数

类模板的“”中可以出现非类型参数：

template <class T, int size>

class CArray

{

public:

    void Print( )

{

        for( int i = 0;i < size; ++i)

        cout << array[i] << endl;

    }

private:

    T array[size];

};




CArray<double,40> a2;

CArray<int,50> a3; //a2和a3属于不同的类


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类模板和派生

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01 类模板从类模板派生


上图的代码例子如下：

// 基类 - 类模板

template <class T1,class T2>

class A 

{

    T1 v1; T2 v2;

};




// 派生类 - 类模板

template <class T1,class T2>

class B:public A<T2,T1>

{

    T1 v3; T2 v4;

};




// 派生类 - 类模板

template <class T>

class C:public B<T,T>

{

    T v5;

};




int main()

{

    B obj1;

    C obj2;

    return 0;

}

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02 类模板从模板类派生


上图的代码例子如下：

template <class T1,class T2>

class A 

{

    T1 v1; T2 v2;

};




template <class T>

class B:public A<int,double>  // A 模板类

{

    T v;

};




int main()

{

    //自动生成两个模板类 ：A 和 B

    B<char> obj1;

    return 0;

}

  • 第 16 行，在创建 B类 对象，会自动生成两个模板类 ：A 和 B 。

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03 类模板从普通类派生


上图的代码例子如下：

// 基类 - 普通类

class A

{

    int v1;

};




// 派生类 - 类模板

template <class T>

class B:public A  // 所有从B实例化得到的类 ，都以A为基类

{

    T v;

};




int main()

{

    B<char> obj1;

    return 0;

}

  • 第 16 行，在创建 B 类对象前，会先构造基类 A 对象。

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04 普通类从模板类派生


上图的代码例子如下：

template <class T>

class A

{

    T v1;

};




class B : public A<int>

{

    double v;

};




int main()

{

    B obj1;

    return 0;

}

  • 第 14 行，在构造 B 类对象前，会先实例化 A 模板对象。


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类模板与友元

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01 函数、类、类的成员函数作为类模板的友元

代码例子如下：

// 普通函数

void Func1() { }




// 普通类

class A { };




// 普通类

class B

{

    public:

    void Func() { } // 成员函数

};




// 类模板

template <class T>

class Tmp

{

    friend void Func1();    // 友元函数

    friend class A;         // 友元类

    friend void B::Func();  // 友元类的成员函数

}; // 任何从 Tmp 实例化来的类 ，都有以上三个友元

任何从 Tmp 实例化来的类 ，都有以上三个友元。

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02 函数模板作为类模板的友元

// 类模板

template <class T1,class T2>

class Pair

{

private:

    T1 key;   //关键字

    T2 value; //值

public:

    Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };

    

    // 友元函数模板

    template <class T3,class T4>

    friend ostream & operator<< (ostream & o, const Pair & p);

};




// 函数模板

template <class T3,class T4>

ostream & operator<< (ostream & o, const Pair & p)

{

    o << "(" << p.key << "," << p.value << ")" ;

    return o;

}




int main()

{

    Pair student("Tom",29);

    Pair obj(12,3.14);

    

    cout << student << " " << obj;

    return 0;

}

输出结果：

(Tom,29) (12,3.14)

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03 函数模板作为类的友元

// 普通类

class A

{

private:

    int v;

public:

    A(int n):v(n) { }

    

    template <class T>

    friend void Print(const T & p); // 函数模板

};




// 函数模板

template <class T>

void Print(const T & p)

{

    cout << p.v;

}




int main()

{

    A a(4);

    Print(a);

    return 0;

}

输出结果：

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04 类模板作为类模板的友元

// 类模板

template <class T>

class B 

{

private:

    T v;

public:

    B(T n):v(n) { }

    

    template <class T2>

    friend class A; // 友元类模板

};




// 类模板

template <class T>

class A 

{

public:

    void Func( )

{

        B<int> o(10); // 实例化B模板类

        cout << o.v << endl;

    }

};




int main()

{

    A<double> a;

    a.Func ();

    return 0;

}

输出结果：


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类模板与静态成员函数

类模板中可以定义静态成员，那么从该类模板实例化得到的所有类，都包含同样的静态成员。
见下面的例子：

template <class T>

class A

{

private:

    static int count; // 静态成员

public:

    A() { count ++; }

    ~A() { count -- ; };

    A( A & ) { count ++ ; }

    

    static void PrintCount() // 静态函数

{ 

        cout << count << endl; 

    } 

};




template int A<int>::count = 0;    // 初始化

template int A<double>::count = 0; // 初始化




int main()

{

    A<int> ia;

    A<double> da; // da和ia不是相同模板类

    ia.PrintCount();

    da.PrintCount();

    return 0;

}

输出：
上面的代码需要注意的点：

  • 类模板里的静态成员初始化的时候，最前面要加
    template
    。

  • ia 和 da 对象是不同的模板类，因为类型参数是不一致，所以也就是不同的模板类。

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