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C++ Template應(yīng)用詳解

來源：本站原創(chuàng)|時(shí)間：2020-01-10|欄目：C語言|點(diǎn)擊： 次

引言

模板（Template）指C++程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)語言中采用類型作為參數(shù)的程序設(shè)計(jì)，支持通用程序設(shè)計(jì)。C++ 的標(biāo)準(zhǔn)庫提供許多有用的函數(shù)大多結(jié)合了模板的觀念，如STL以及IO Stream。

函數(shù)模板

在c++入門中，很多人會接觸swap(int&, int&)這樣的函數(shù)類似代碼如下:

void swap(int&a , int& b) {
  int temp = a;
  a = b;
  b = temp;
}

但是如果是要支持long,string,自定義class的swap函數(shù),代碼和上述代碼差不多，只是類型不同，這個(gè)時(shí)候就是我們定義swap的函數(shù)模板,就可以復(fù)用不同類型的swap函數(shù)代碼，函數(shù)模板的聲明形式如下:

template <class identifier> function_declaration;
template <typename identifier> function_declaration;

swap函數(shù)模板的聲明和定義代碼如下:

//method.h
template<typename T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

//method.cpp

template<typename T> void swap(T& t1, T& t2) {
  T tmpT;
  tmpT = t1;
  t1 = t2;
  t2 = tmpT;
}

上述是模板的聲明和定義了，那模板如何實(shí)例化呢，模板的實(shí)例化是編譯器做的事情，與程序員無關(guān)，那么上述模板如何使用呢，代碼如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "method.h"
int main() {
  //模板方法 
  int num1 = 1, num2 = 2;
  swap<int>(num1, num2);
  printf("num1:%d, num2:%d\n", num1, num2); 
  return 0;
}

這里使用swap函數(shù)，必須包含swap的定義，否則編譯會出錯(cuò)，這個(gè)和一般的函數(shù)使用不一樣。所以必須在method.h文件的最后一行加入#include "method.cpp"。

類模板

考慮我們寫一個(gè)簡單的棧的類，這個(gè)棧可以支持int類型，long類型，string類型等等，不利用類模板，我們就要寫三個(gè)以上的stack類，其中代碼基本一樣，通過類模板，我們可以定義一個(gè)簡單的棧模板，再根據(jù)需要實(shí)例化為int棧，long棧，string棧。

//statck.h
template <class T> class Stack {
  public:
    Stack();
    ~Stack();
    void push(T t);
    T pop();
    bool isEmpty();
  private:
    T *m_pT;    
    int m_maxSize;
    int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpp
template <class T> Stack<T>::Stack(){
  m_maxSize = 100;   
  m_size = 0;
  m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T> Stack<T>::~Stack() {
  delete [] m_pT ;
}
    
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
  m_size++;
  m_pT[m_size - 1] = t;
  
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
  T t = m_pT[m_size - 1];
  m_size--;
  return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
  return m_size == 0;
}

上述定義了一個(gè)類模板--棧，這個(gè)棧很簡單，只是為了說明類模板如何使用而已，最多只能支持100個(gè)元素入棧，使用示例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
  Stack<int> intStack;
  intStack.push(1);
  intStack.push(2);
  intStack.push(3);
  
  while (!intStack.isEmpty()) {
    printf("num:%d\n", intStack.pop());
  }
  return 0;
}

模板參數(shù)

模板可以有類型參數(shù)，也可以有常規(guī)的類型參數(shù)int，也可以有默認(rèn)模板參數(shù)，例如

template<class T, T def_val> class Stack{...}

上述類模板的棧有一個(gè)限制，就是最多只能支持100個(gè)元素，我們可以使用模板參數(shù)配置這個(gè)棧的最大元素?cái)?shù),如果不配置，就設(shè)置默認(rèn)最大值為100，代碼如下:

//statck.h
template <class T,int maxsize = 100> class Stack {
  public:
    Stack();
    ~Stack();
    void push(T t);
    T pop();
    bool isEmpty();
  private:
    T *m_pT;    
    int m_maxSize;
    int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpp
template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::Stack(){
  m_maxSize = maxsize;   
  m_size = 0;
  m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::~Stack() {
  delete [] m_pT ;
}
    
template <class T,int maxsize> void Stack<T, maxsize>::push(T t) {
  m_size++;
  m_pT[m_size - 1] = t;
  
}
template <class T,int maxsize> T Stack<T, maxsize>::pop() {
  T t = m_pT[m_size - 1];
  m_size--;
  return t;
}
template <class T,int maxsize> bool Stack<T, maxsize>::isEmpty() {
  return m_size == 0;
}

使用示例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
  int maxsize = 1024;
  Stack<int,1024> intStack;
  for (int i = 0; i < maxsize; i++) {
    intStack.push(i);
  }
  while (!intStack.isEmpty()) {
    printf("num:%d\n", intStack.pop());
  }
  return 0;
}

模板專門化

 當(dāng)我們要定義模板的不同實(shí)現(xiàn)，我們可以使用模板的專門化。例如我們定義的stack類模板，如果是char*類型的棧，我們希望可以復(fù)制char的所有數(shù)據(jù)到stack類中，因?yàn)橹皇潜４鎐har指針，char指針指向的內(nèi)存有可能會失效，stack彈出的堆棧元素char指針，指向的內(nèi)存可能已經(jīng)無效了。還有我們定義的swap函數(shù)模板，在vector或者list等容器類型時(shí)，如果容器保存的對象很大，會占用大量內(nèi)存，性能下降，因?yàn)橐a(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)的大對象保存a，這些都需要模板的專門化才能解決。

函數(shù)模板專門化

假設(shè)我們swap函數(shù)要處理一個(gè)情況，我們有兩個(gè)很多元素的vector<int>,在使用原來的swap函數(shù)，執(zhí)行tmpT = t1要拷貝t1的全部元素，占用大量內(nèi)存，造成性能下降，于是我們系統(tǒng)通過vector.swap函數(shù)解決這個(gè)問題,代碼如下:

//method.h
template<class T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

#include <vector>
using namespace std;
template<class T> void swap(T& t1, T& t2) {
  T tmpT;
  tmpT = t1;
  t1 = t2;
  t2 = tmpT;
}

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
  t1.swap(t2);
}

template<>前綴表示這是一個(gè)專門化,描述時(shí)不用模板參數(shù)，使用示例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include <vector>
#include <string>
#include "method.h"
int main() {
  using namespace std;
  //模板方法 
  string str1 = "1", str2 = "2";
  swap(str1, str2);
  printf("str1:%s, str2:%s\n", str1.c_str(), str2.c_str()); 
  
  vector<int> v1, v2;
  v1.push_back(1);
  v2.push_back(2);
  swap(v1, v2);
  for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
    printf("v1[%d]:%d\n", i, v1[i]);
  }
  for (int i = 0; i < v2.size(); i++) {
    printf("v2[%d]:%d\n", i, v2[i]);
  }
  return 0;
}

vector<int>的swap代碼還是比較局限，如果要用模板專門化解決所有vector的swap，該如何做呢，只需要把下面代碼

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
  t1.swap(t2);
}

改為

template<class V> void swap(std::vector<V>& t1, std::vector<V>& t2) {
  t1.swap(t2);
}

就可以了，其他代碼不變。

類模板專門化

 請看下面compare代碼:

//compare.h
template <class T>
 class compare
 {
 public:
 bool equal(T t1, T t2)
 {
    return t1 == t2;
 }
};
#include <iostream>
#include "compare.h"
 int main()
 {
 using namespace std;
 char str1[] = "Hello";
 char str2[] = "Hello";
 compare<int> c1;
 compare<char *> c2;  
 cout << c1.equal(1, 1) << endl;    //比較兩個(gè)int類型的參數(shù)
 cout << c2.equal(str1, str2) << endl;  //比較兩個(gè)char *類型的參數(shù)
 return 0;
 }

在比較兩個(gè)整數(shù)，compare的equal方法是正確的，但是compare的模板參數(shù)是char*時(shí)，這個(gè)模板就不能工作了，于是修改如下:

//compare.h
#include <string.h>
template <class T>
 class compare
 {
 public:
 bool equal(T t1, T t2)
 {
    return t1 == t2;
 }
};
  

template<>class compare<char *> 
{
public:
  bool equal(char* t1, char* t2)
  {
    return strcmp(t1, t2) == 0;
  }
};

main.cpp文件不變，此代碼可以正常工作。

模板類型轉(zhuǎn)換

還記得我們自定義的Stack模板嗎，在我們的程序中，假設(shè)我們定義了Shape和Circle類，代碼如下:

//shape.h
class Shape {

};
class Circle : public Shape {
};

然后我們希望可以這么使用:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
  Stack<Circle*> pcircleStack;
  Stack<Shape*> pshapeStack;
  pcircleStack.push(new Circle);
  pshapeStack = pcircleStack;
  return 0;
}

這里是無法編譯的，因?yàn)镾tack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父類，然而我們卻希望代碼可以這么工作，那我們就要定義轉(zhuǎn)換運(yùn)算符了，Stack代碼如下:

//statck.h
template <class T> class Stack {
  public:
    Stack();
    ~Stack();
    void push(T t);
    T pop();
    bool isEmpty();
    template<class T2> operator Stack<T2>();
  private:
    T *m_pT;    
    int m_maxSize;
    int m_size;
};

#include "stack.cpp"

template <class T> Stack<T>::Stack(){
  m_maxSize = 100;   
  m_size = 0;
  m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T> Stack<T>::~Stack() {
  delete [] m_pT ;
}
    
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
  m_size++;
  m_pT[m_size - 1] = t;
  
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
  T t = m_pT[m_size - 1];
  m_size--;
  return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
  return m_size == 0;
}

template <class T> template <class T2> Stack<T>::operator Stack<T2>() {
  Stack<T2> StackT2;
  for (int i = 0; i < m_size; i++) {
    StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);
  }
  return StackT2;
}

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
  Stack<Circle*> pcircleStack;
  Stack<Shape*> pshapeStack;
  pcircleStack.push(new Circle);
  pshapeStack = pcircleStack;
  return 0;
}

這樣，Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果轉(zhuǎn)換的類型是Stack<int>到Stack<Shape>，編譯器會報(bào)錯(cuò)。

其他

一個(gè)類沒有模板參數(shù)，但是成員函數(shù)有模板參數(shù)，是可行的，代碼如下:

class Util {
  public:
    template <class T> bool equal(T t1, T t2) {
      return t1 == t2;
    }
};

int main() {
  Util util;
  int a = 1, b = 2;
  util.equal<int>(1, 2);
  return 0;
}

甚至可以把Util的equal聲明為static,代碼如下:

class Util {
  public:
     template <class T> static bool equal(T t1, T t2) {
      return t1 == t2;
    }
};

int main() {
  int a = 1, b = 2;
  Util::equal<int>(1, 2);
  return 0;
}

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持我們。

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