【C++提高篇】—— C++泛型编程之模板基本语法和使用的详解

啥也不会的研究僧2025-01-21 13:21

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文章目录

  • 前言
  • 一、模板的概念
  • 二、函数模板
    • [2.1 函数模板的使用](#2.1 函数模板的使用)
    • [2.2 函数模板注意事项](#2.2 函数模板注意事项)
    • [2.3 普通函数与函数模板的区别](#2.3 普通函数与函数模板的区别)
    • [2.4 普通函数与函数模板的调用规则](#2.4 普通函数与函数模板的调用规则)
    • [2.5 模板的局限性](#2.5 模板的局限性)
  • 三、类模板
    • [3.1 类模板的使用](#3.1 类模板的使用)
    • [3.2 类模板与函数模板的区别](#3.2 类模板与函数模板的区别)
    • [3.3 类模板中成员函数的的创建时机](#3.3 类模板中成员函数的的创建时机)
    • [3.4 类模板对象做函数参数](#3.4 类模板对象做函数参数)
    • [3.5 类模板与继承](#3.5 类模板与继承)
    • [3.6 类模板成员函数类外实现](#3.6 类模板成员函数类外实现)
    • [3.7 类模板分文件编写](#3.7 类模板分文件编写)
    • [3.8 类模板与友元](#3.8 类模板与友元)

前言

C++中的另一种编程思想称为泛型编程，主要利用模板和标准模板库（STL）。泛型编程通过编写与数据类型无关的代码，提高了代码的复用性和灵活性。STL提供了一套丰富的容器、算法和迭代器，使开发者可以高效地处理各种数据结构和算法。本章节将系统介绍泛型编程的概念、模板的使用方法以及STL的基本组件。

一、模板的概念

模板 ：模板就是建立通用的模具，大大提高复用性
模板的特点 ：
a. 模板不可以直接使用，它只是一个框架
b. 模板的通用并不是万能的

二、函数模板

2.1 函数模板的使用

语法 ：

template< typename T>

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 ：
传统的实现：对于不同的数据类型的交换函数，要分开每个都要写一遍实现：

cpp 复制代码 
//交换整型函数
void swapInt(int &a, int &b){
	int temp = a;
	a = b;
	b = emp;
}
//交换浮点型函数
void swapDouble(double &a, double &b){
	double temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

使用函数模板：对于操作一样的函数，写一次实现即可

cpp 复制代码 
template<typename T>
void mySwap(T &a,T &b) {    //传入引用：交换实参
		T temp = a;
		a = b;
		b = temp;
}
//使用
int main()
{
	int a = 10;  
	int b = 20;
	mySwap(a,b);   //利用模板实现交换//1、自动类型推导
	// mySwap<int>(a,b);  //2、显示指定类型
	cout<< "a=" << a << "b=" << b <<endl;
	system("pause");
	return 0;
}

总结 ：

函数模板定义后，有两种使用方式：
a. 自动类型推导

cpp 复制代码 
mySwap(a,b);

b. 显示指定类型

cpp 复制代码 
mySwap<int>(a,b);
mySwap<double >(a,b);

2.2 函数模板注意事项

(1) 注意事项一 ：使用自动类型推导调用的方法

自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T, 才可以使用
示例：

cpp 复制代码 
int main()
{
	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，a和c数据类型不同，推导不出一致的T类型
	cout<< "a=" << a << "b=" << b <<endl;
	system("pause");
	return 0;
}

(2) 注意事项二 ：

使用模板时必须要确定出T的数据类型，才可以使用
示例：

cpp 复制代码 
template<classT>
void func(){
cout<< "func调用" <<endl;
}
int main()
{
	//func();//错误，模板不能独立使用，必须确定出T的类型
	func<int>();//利用显示指定类型的方式，给T一个类型，才可以使用该模板}
	system("pause");
	return 0;
}

2.3 普通函数与函数模板的区别

区别 ：
a. 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
b. 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
c. 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：

cpp 复制代码 
void myPrint(int a,int b){
	cout<< "调用的普通函数a + b:" << a + b <<endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b){
	cout<< "调用的模板a + b:" << a + b <endl;
}
void test01(){
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';
	//myPrint(a,c); //报错，使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换
	myPrint<int>(a,c);//正确，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}
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

2.4 普通函数与函数模板的调用规则

调用规则如下 ：
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
2. 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
3. 函数模板也可以发生重载
4. 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板
意思就是，例如：当传入的参数为char类型，普通函数形参定义的是int,那么"编译器会觉得隐式转换麻烦"，优先去使用模板函数的实现

示例：

cpp 复制代码 
void myPrint(int a,int b){
	cout<< "调用的普通函数" <<endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b){
	cout<< "调用的模板" <<endl;
}
template<typename T>
void myPrint(Ta, Tb, Tc){     //重载的函数模板
	cout<< "调用重载的模板" <<endl;
}
void test01(){
	int a = 10;
	int b = 20;
	myPrint(a,b);//优先调用普通函数的实现
	myPrint<>(a, b);//可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
	int c = 30;
	myPrint(a, b, c);//调用重载的函数模板
	char c2 = 'b';
	myPrint(c1, c2);//如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板charc1='a';
}
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

2.5 模板的局限性

局限性 ：模板的通用性并不是万能的
例如：

cpp 复制代码 
template<classT>
void func(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

cpp 复制代码 
template<classT>
void func(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
解决 ：

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（说白了就是不同的类型，不同的处理，感觉和写普通函数实现差不多了）

三、类模板

3.1 类模板的使用

语法：

template< typename T>

类

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：

cpp 复制代码 
//类模板
template<class T1, class T2>
class Person{
public:
	Person(NameTypename,AgeTypeage){
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	void showPerson(){
		cout<< "name:" << this->m_Name << "age:" << this->m_Age <<endl;
	}
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};
void test01(){
	//类模板没有自动类型推导的使用方式，要指定NameType为string类型，AgeType为int类型
	Person<string,int>P1("孙悟空",999);
	P1.showPerson();
}
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

注意：类模板没有自动类型推导的使用方式，要指定类型

3.2 类模板与函数模板的区别

区别 ：
a. 类模板没有自动类型推导的使用方式，只能用显示指定类型方式
b. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
示例：

cpp 复制代码 
//有默认参数的类模板
template<class T1,class T2=int>
class Person{
public:
	Person(T1 name,T2 age){
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson(){
		cout<< "name:" << this->mName << "age:" << this->mAge <<endl;
	}
public:
	T1 mName;
	T2 mAge;
};
//使用
int main()
{
	Person<string>p("猪八戒",999);//类模板中的模板参数列表可以指定默认参数
	//Person<string,int>p("孙悟空",1000);//必须使用显示指定类型的方式，使用类模板
	p.showPerson();
	system("pause");
	return 0;
}

3.3 类模板中成员函数的的创建时机

类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机的区别：
a. 普通类中的成员函数一开始就可以创建
b. 类模板中的成员函数在调用时才创建

示例：

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

3.4 类模板对象做函数参数

使用 ：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 ：
a. 指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
b. 参数模板化 --- 将对象中的参数变为模板进行传递
c. 整个类模板化 --- 将这个对象类型模板化进行传递

示例：

总结 ：
1.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
2.使用比较广泛是第一种：指定传入的类型

3.5 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意一下几点 ：
a. 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
b. 如果不指定，编译器无法给子类分配内存
c. 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：

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

3.6 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：

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

3.7 类模板分文件编写

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

示例：

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

3.8 类模板与友元

类模板配合友元函数的类内和类外实现 ：
a. 全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可
b. 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：

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

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