C++系列-泛型编程之类模板

泛型编程之类模板

• 类模板
• • 类模板的定义方式
  • 类模板的举例
• 类模板和函数模板的区别
• 类模板中的成员函数创建时机
• 类模板的对象做函数的参数
• • 指定传入类型
  • 类中的参数模板化
  • 整个类模板化
• 类模板与继承
• 类模板中成员函数的类外实现
• 类模板分文件编写
• • 类模板分文件编写的问题
  • 问题原因
  • 解决方案
• 类模板与友元
• • 全局函数类内实现
  • 全局函数类外实现

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宿王昌龄隐居

常建〔唐代〕

清溪深不测，隐处唯孤云。

松际露微月，清光犹为君。

茅亭宿花影，药院滋苔纹。

余亦谢时去，西山鸾鹤群。

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类模板

类模板的作用：建立一个通用的类，类中成员的数据类型不指定，用一个虚拟的类型来表示。

类模板的定义方式

• template<class T> 类的定义，template：说明其下紧跟的类是一个类模板。
• typename：表明其后的符号代表一种数据类型，也可以用class代替。后面可以有多个typename。
• T：通用数据类型，也可以用其它符号代替。

类模板的举例

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age)
	{
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	void print_info()
	{
		cout << "名字: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
	}
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

void test01()
{
	 Person<string, int> p1("张三", 99);	// 类型参数化,<string, int> 模板参数列表
	 p1.print_info();
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 99

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类模板和函数模板的区别

• 类模板没有自动类型推导的方式。
• 类模板在模板的参数列表(<>里面的参数)中可以有默认参数。

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE=int>		// 类模板可以有模板默认参数
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age)
	{
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	void print_info()
	{
		cout << "名字: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
	}
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

void test01()
{
	Person<string> p1("张三", 99);	// 类型参数化,<string> 模板参数列表, 省略了模板默认参数
	p1.print_info();
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 99

---

类模板中的成员函数创建时机

• 普通类中的成员函数一开始就创建
• 类模板中的成员函数在调用时才创建
  下面的代码运行并不会出错，PersonClass中的成员函数func1, func2并不会创建，因为并没有调用到它们。

code:
#include <iostream>
using namespace std;

class Person1
{
public:
	void print_info1()
	{
		cout << "Person1的成员函数调用 " << endl;
	}
};

class Person2
{
public:
	void print_info2()
	{
		cout << "Person2的成员函数调用 " << endl;
	}
};

template<class T>
class PersonClass
{
public:
	T obj;			
	void func1()
	{
		obj.print_info1();		// T的类型是Person1时，此句才能正确执行
	}
	void func2()
	{
		obj.print_info2();		// T的类型是Person2时，此句才能正确执行
	}
};
int main()
{
	cout << "代码运行" << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

result:
代码运行

下面的代码中调用了成员函数，则会在调用的时候创建，此时可以知道是否调用正确。

code:
#include <iostream>
using namespace std;

class Person1
{
public:
	void print_info1()
	{
		cout << "Person1的成员函数调用 " << endl;
	}
};

class Person2
{
public:
	void print_info2()
	{
		cout << "Person2的成员函数调用 " << endl;
	}
};

template<class T>
class PersonClass
{
public:
	T obj;			
	void func1()
	{
		obj.print_info1();		// T的类型是Person1时，此句才能正确执行
	}
	void func2()
	{
		obj.print_info2();		// T的类型是Person2时，此句才能正确执行
	}
};

void test01()
{
	PersonClass<Person1> p1;
	p1.func1();
	// p1.func2();		// 错误，因为在调用p1.func2时，知道p1的类型，创建成员函数，发现p1没有func2

	PersonClass<Person2> p2;
	p2.func2();
}
int main()
{
	cout << "代码运行" << endl;
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
代码运行
Person1的成员函数调用
Person2的成员函数调用

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类模板的对象做函数的参数

通过类模板定义的对象，如果作为函数的参数，有几种方式传参

• 指定传入参数，最为常用
• 类中的参数模板化，其实是类模板配合函数模板
• 整个类模板化，其实是类模板配合函数模板

指定传入类型

• 在函数定义中，参数类型直接指定为对象的类型，void print_info(Person &p1)，直接指定形参为Person类型

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE = int>		// 类模板可以有模板默认参数
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age)
	{
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// 在类模板的对象作为函数参数时，在形参列表中指定传入的类型(p1的传入类型指定为Person<>)
void print_info(Person<string> &p1)
{
	cout << "名字: " << p1.m_name << ", 年龄: " << p1.m_age << endl;
	p1.m_age = 20;
}

void test01()
{
	Person<string> p1("张三", 99);
	print_info(p1);		
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 99

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类中的参数模板化

• typeid(T1).name()是求T1的类型
• 在函数定义时，如果形参是类的对象，那么类中的参数模板化时，要在函数前面加template<class T1, class T2>，这相当于函数也是模板函数。

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>		
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age)
	{
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// 函数的参数是类模板的对象，类中的模板参数也可以作为模板传入,
// 这其实相当于这个函数也是函数模板
template<class T1, class T2>
void print_info(Person<T1, T2> &p1)
{
	cout << "名字: " << p1.m_name << ", 年龄: " << p1.m_age << endl;
	cout << "T1类型: " << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2类型: " << typeid(T2).name() << endl;
}
// 如果有下面的函数，会优先调用，说明上面的函数是一个函数模板
//void print_info(Person<string, int>& p1)
//{
//	cout << "普通函数" << endl;
//}

void test01()
{
	Person<string, int> p1("张三", 99);
	print_info(p1);
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 99
T1类型: class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char> >
T2类型: int

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整个类模板化

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age)
	{
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// 整个类模板化
template<class T>
void print_info(T &p1)
{
	cout << "名字: " << p1.m_name << ", 年龄: " << p1.m_age << endl;
	cout << "T类型: " << typeid(T).name() << endl;
}

void test01()
{
	Person<string, int> p1("张三", 99);
	print_info(p1);
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 99
T类型: class Person<class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char> >,int>

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类模板与继承

• 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，需要指明父类中T的类型，如果不指定，编译器无法给子类分配内存。
• 如果要灵活指定父类中T的类型，子类也需要变为类模板。

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
class Base
{
	T m_name;
};

// class Son : public Base		// 这一句会报错，因为子类在声明时，没有指明父类T的类型
// 可以直接指定父类中T的类型，但是会导致通用性不强。
class Son1 : public Base<int>
{
public:
	Son1()
	{
		cout << "Son1 instance" << endl;
	}
};

// 子类也模板化，这样就更通用了
template<class T_Base, class T>
class Son2: public Base<T_Base>
{
public:
	T age;
	Son2()
	{
		cout << "T_Base类型: " << typeid(T_Base).name() << endl;
		cout << "T类型: " << typeid(T).name() << endl;
	}
};

void test01()
{
	Son1 s1;		
	Son2<int, char>s2;
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
Son1 instance
T_Base类型: int
T类型: char

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类模板中成员函数的类外实现

• 类模板中的成员函数在类外实现时，除了作用域，要加上类模板参数列表
• ::作用域，是个模板<>, <参数类型>注明模板参数，template<class T_NAME, class T_AGE>：声明模板

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age);
	void print_info();

private:
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// ::Person作用域下，Person是个模板<>,注明模板参数，声明模板
template<class T_NAME, class T_AGE>
Person<T_NAME, T_AGE>::Person(T_NAME name, T_AGE age)
{
	m_name = name;
	m_age = age;
}

template<class T_NAME, class T_AGE>
void Person<T_NAME, T_AGE>::print_info()
{
	cout << "名字: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
}

void test01()
{
	Person<string, int> s1("张三", 18);
	s1.print_info();
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 18

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类模板分文件编写

类模板中的成员函数创建是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到(传统的方式，如果只#include .h文件，h文件中只有函数的声明)

类模板分文件编写的问题

类的声明放在person.h文件中

code:
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age);
	void print_info();

private:
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

类的成员函数实现放在person.cpp文件中

#include "person.h"
// ::Person作用域下，Person是个模板<>,注明模板参数，声明模板
template<class T_NAME, class T_AGE>
Person<T_NAME, T_AGE>::Person(T_NAME name, T_AGE age)
{
	m_name = name;
	m_age = age;
}

template<class T_NAME, class T_AGE>
void Person<T_NAME, T_AGE>::print_info()
{
	cout << "名字: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
}

在调用时会报错

#include <iostream>
#include "person.h"

using namespace std;
void test01()
{
	Person<string, int> s1("张三", 18);			// 代码报错，无法解析的外部命令
	s1.print_info();							// 代码报错，无法解析的外部命令
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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问题原因

• 在main函数中调用关于类的代码时，包含头文件person.h，因为类中的成员函数是在调用的时候创建，在链接阶段看到person.h的时候并不创建函数，看不到cpp的文件，所以在link的过程中会报错。

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解决方案

• 解决方法1，直接包含cpp文件，但是一般都不会直接包含cpp文件。
• 解决方法2，将.h和.cpp中的文件写在同一个文件中，后缀名改为hpp，这个是主流解决方案

.hpp文件的代码

code:
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age);
	void print_info();

private:
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// ::Person作用域下，Person是个模板<>,注明模板参数，声明模板
template<class T_NAME, class T_AGE>
Person<T_NAME, T_AGE>::Person(T_NAME name, T_AGE age)
{
	m_name = name;
	m_age = age;
}

template<class T_NAME, class T_AGE>
void Person<T_NAME, T_AGE>::print_info()
{
	cout << "名字: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
}

上层调用代码

code:
#include <iostream>
#include "person.hpp"

using namespace std;
void test01()
{
	Person<string, int> s1("张三", 18);
	s1.print_info();
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

---

类模板与友元

全局函数类内实现

• 直接在类内声明友元即可

code:
#include <iostream>
using namespace std;

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
	// void print_info(Person<T_NAME, T_AGE>& p)	// 如果没有friend，是一个私有成员函数
	friend void print_info(Person<T_NAME, T_AGE>& p)
	{
		cout << "名字: " << p.m_name << ", 年龄: " << p.m_age << endl;
	}

public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age);

private:
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// ::Person作用域下，Person是个模板<>,注明模板参数，声明模板
template<class T_NAME, class T_AGE>
Person<T_NAME, T_AGE>::Person(T_NAME name, T_AGE age)
{
	m_name = name;
	m_age = age;
}

void test01()
{
	Person<string, int> s1("张三", 18);
	print_info(s1);
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 18

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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，要提前声明，其中使用到的类等也要提前声明。
• 在声明友元时，全局函数是函数模板，需要在函数名后加<>

code:
#include <iostream>
using namespace std;

// 因为友元全局函数用到了Person，需要让编译器先知道有个类模板Person
template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person;

// 全局函数在类模板外部实现时，需要在友元声明前让编译器知道这个全局函数的存在
template<class T_NAME, class T_AGE>
void print_info(Person<T_NAME, T_AGE>& p);

template<class T_NAME, class T_AGE>
class Person
{
	// 下面语句错误，这是普通函数作友元的方式，而这个全局函数是函数模板，需要在函数名后加<>
	// friend void print_info(Person<T_NAME, T_AGE>& p);	
	friend void print_info<>(Person<T_NAME, T_AGE>& p);	// 

public:
	Person(T_NAME name, T_AGE age);

private:
	T_NAME m_name;
	T_AGE m_age;
};

// print_info是一个全局函数，代码在类外实现，这是一个函数模板
// 全局函数想访问类中的私有成员，需要将其声明为类的友元函数
template<class T_NAME, class T_AGE>
void print_info(Person<T_NAME, T_AGE>& p)
{
	cout << "名字: " << p.m_name << ", 年龄: " << p.m_age << endl;
}

// ::Person作用域下，Person是个模板<>,注明模板参数，声明模板
template<class T_NAME, class T_AGE>
Person<T_NAME, T_AGE>::Person(T_NAME name, T_AGE age)
{
	m_name = name;
	m_age = age;
}

void test01()
{
	Person<string, int> s1("张三", 18);
	print_info(s1);
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

result:
名字: 张三, 年龄: 18

注意：本文部分内容来自黑马