C++提高编程学习--模板

两颗泡腾片2025-07-31 21:53

C++泛型编程和STL技术

模板

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性。

模板不能直接使用，需要填内容

模板不是万能的

什么地方会用到模板

函数模板和类模板

函数模板

cpp 复制代码 
template<typename T>
函数声明或定义

实际上是将类型参数化了

下面通过模板实现两数的交换

cpp 复制代码 
#include<iostream>

using namespace std;

// 不同类型但是实现过程一样的需要重复写，所以可以使用模板
void swap(int& a, int& b) {

	int temp;
	temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void swapdouble(double& a, double& b) {

	double temp;
	temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

template<typename T>  // 告诉编译器 T是一个模板类型
// 紧接着进行模板函数的实现
void mySwap(T& a, T& b) {

	T temp;
	temp = a;
	a = b;
	b = temp;

}
int main() {

	int a = 10;
	int b = 20;

	//double a = 10.7;
	//double b = 20.8;

	//swap(a, b);
	//swapdouble(a, b);
	
	// 模板函数的使用有两种方式
	// 1.自动类型推导
	
	//mySwap(a, b);

	// 2.显式指定类型
	mySwap<int>(a, b);
	//mySwap<double>(a, b);

	cout << "a: " << a << " b: "<< b << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

函数模板使用注意事项

自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T才能使用。

模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用。

cpp 复制代码 
template<typename T1，typename T2>
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 利用模板提供通用的交换函数
template <typename T>
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，可以推导出一致的数据类型T
    // mySwap(a, c);// 错误，推导出不一致的数据类型T
}

// 2.函数模板必须要确定出T的数据类型才可以使用
template<class T>
void func()   // 这里没有用到T，下面用到了这个函数，也不能直接调用，还是需要让编译器知道T是什么类型
{
    cout << "func调用" << endl;
}

void test02()
{
    // func();  //  错误，没有确定T的数据类型，模板不能独立使用
    func<int>();    // 正确,利用显式指定类型的方式，给T一个类型，才可以使用该模板
}

int main()
{
    test01();
    test02();
    return 0;
}

模板案例--通用的数组排序

char 数组排序

int 数组排序

选择排序

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T>    // 交换函数模板
void mySwap(T& a, T& b)
{
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

template<class T>   // class 也可以替换成  typename
// 利用选择排序。对数组进行从大到小排序
void mySort(T & arr, int len)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        int maxIndex = i;
        for (int j = i; j < len; j++)
        {
            if (arr[j] > arr[maxIndex])
            {
                maxIndex = j;
            }
        }
        if (maxIndex!=i)
            swap(arr[i], arr[maxIndex]);
    }
}

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[] = "gdwaghj";
    int len = sizeof(charArr) / sizeof(char);
    mySort(charArr, len);
    printArray(charArr, len);
}

void test02()
{
    // 测试int数组
    int arr[5] = {1, 5, 3, 9, 2};
    int num = sizeof(arr) / sizeof(int);
    mySort(arr, 5);
    printArray(arr, 5);
}

int main()
{
    test01();
    test02();
}

普通函数与函数模板的区别

  • 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。
  • 如果利用显示类型转换指定类型的方式，可以发生隐式类型转换。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 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 = 'a';   // char类型'a'对应的ASCII码值是97

    cout << myAdd01(a, c) << endl;  // 正确，将char类型的'a'隐式转换为int类型'a'对应的ASCII码值
    //cout << myAdd02(a, c) << endl;  // 错误，无法将char类型转换为int类型
    cout << myAdd02<int>(a, c) << endl; // 正确，显示指定类型转换 T都转成int
}

int main()
{
    test01();
    return 0;
}

使用模板是最好使用显示指定类型。

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调用，优先调用普通函数 (普通函数和模板函数是重名的情况（参数列表也相同的情况）)

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

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 普通函数与函数模板调用规则
void myPrint(int a,  int b)
{
    cout << "普通函数" << endl;
}

template <typename T>
void myPrint(T a, T b)
{
    cout << "函数模板" << endl;
}

template <typename T>
void myPrint(T a, T b,  T c)
{
    cout << "重载的函数模板" << 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);  // 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 参数列表是空的<>
    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  普通函数需要隐式类型转换 比较麻烦
}
int main()
{
    test01();
    return 0;
}

一般提供了模板，就不用普通函数了，产生二义性

模板的局限性

特定的数据类型还是需要具体的实现

比如说需要传数组、传指针等

cpp 复制代码 
template<class T>
void f(T a, T b)
{ 
    a = b;
}

如果传入数组就无法实现赋值操作

cpp 复制代码 
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

先定义一个通用类型模板，然后再定义一些具体类型的模板扩展，实现特殊类型的模板化

具体化

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

class Person
{
public:
    Person(string name, int age)
    {
        this->m_name = name;
        this->m_age = age;
    }
    string m_name;
    int m_age;
};

// 普通函数模板
template <class T>
bool myCompare(T &a, T &b)
{
    if (a==b)
    {
        return true;
    }
    else return false;
}

//具体化，显示具体化的原型和定意思以template<>开头，并通过名称来指出类型
//具体化优先于常规模板
template<> bool myCompare(Person &p1, Person &p2)
{
    if (p1.m_name == p2.m_name && p1.m_age == p2.m_age)
        return true;
    else return false;
}

void test01()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    // 内置数据类型可以直接使用通用的函数模板
    bool ret = myCompare(a, b);
    if (ret)
    {
        cout << "a == b" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "a != b" << endl;
    }
}

void test02()
{
    Person p1("Tom", 10);
    Person p2("Tom", 10);
    // 自定义数据类型，不会调用普通的函数模板
    // 可以创建具体化的Person数据类型的模板，用于特殊处理这个类型
    bool ret = myCompare(p1, p2);
    if (ret)
    {
        cout << "p1 == p2" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "p1 != p2" << endl;
    }
}

int main()
{
    test01();
    test02();
    return 0;
}

学模板是为了能够在STL中用系统提供的模板。

类模板

cpp 复制代码 
template<class T>
类
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

class Person {

	Person(string name, int age) {
		this->m_name = name;
		this->m_age = age;
	}

	string m_Name;
	int m_age;

};

//类模板化
// 类模板中需要用到多少个数据类型，就得声明多少个数据类型
template<class nameType, class ageType>
class Person {
public:
	//有参构造初始化
	Person(nameType name, ageType age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_age = age;
	}
	nameType m_Name;
	ageType m_age;
};

void test01(){
	
	// 只能用显式指定类型的方式调用模板类
	Person<string,int> P1("mike",18);
	cout << P1.m_Name << P1.m_age << endl;

}
int main() {

	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

类模板和函数模板的区别

1.类模板没有自动类型推导的使用方式
2.类模板在模板参数列表中可以默认参数

默认参数，就是在声明模板类的时候将类型参数设置默认值

函数模板中没有默认参数

cpp 复制代码 
template<class nameType, class ageType = int>
// 类模板可以有默认参数 有了默认参数可以只传一个参数
Person<string> p2("孙悟空"，18);

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
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class Person1
{
public:
    void showPerson1()
    {
        cout << "Person1 showPerson1" << endl;
    }
};

class Person2
{
public:
    void showPerson2()
    {
        cout << "Person2 showPerson2" << 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，而是在模板调用时才创建的。

    void func1(){ obj.showPerson1();}
    void func2(){ obj.showPerson2();}

};

void testo1()
{
    MyClass<Person1> p1;
    p1.func1(); // 正确
    // p1.func2(); // 错误，因为obj是Person1类型，没有showPerson2()
}

void test02()
{
    MyClass<Person2> p2;
    p2.func2(); // 正确
    // p2.func1(); // 错误，因为obj是Person2类型，没有showPerson1()
}

int main()
{
    testo1();
    test02();
    return 0;
}

类模板对象做函数参数

类模板实例化出的对象，想函数传参的方式

  1. 指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
  2. 参数模板化 --- 将对象中的参数变为模板进行传递
  3. 整个类模板化 --- 将这个对象类型 模板化进行传递
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

// 类模板对象做函数参数
template<class T1, class T2>
class Person {
public:

	Person(T1 name, T2 age) {

		this->m_name = name;
		this->m_age = age;
	}

	void showPerson() {

		cout<<"name: " << this->m_name << " age: "<< this->m_age << endl;
	}

	T1 m_name;
	T2 m_age;

};
//1.指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
// 相当于把模板的显示指定类型整体看为类型 Person int等，与传Person类型参数类似只是换成了模板形式
void printPerson1(Person<string, int>& p1) {

	p1.showPerson();
}

void test01(){
	// 类模板只能显示指定类型创建对象
	Person<string, int> p1("mike", 18);
	printPerson1(p1);

}

// 2.参数模板化 将具体的参数类型变为模板（需要提前声明是模板），然后调用的时候传具体的显示指定
template<class T1,class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>& p1) {

	p1.showPerson();
	// 显示推导出来的类型
	cout << "T1--type：" << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T1--type: " << typeid(T2).name() << endl;
}

void test02() {
	// 类模板只能显示指定类型创建对象
	Person<string, int> p2("John", 20);
	printPerson2(p2);
}


// 将整个类模板化 Person-T
template<class T>
void printPerson3(T &p) {

	p.showPerson();

}

void test03() {
	// 类模板只能显示指定类型创建对象
	Person<string, int> p3("Tom", 30);
	printPerson3(p3);
}
int main() {

	//test01();
	//test02();
	test03();
	system("pause");
	return 0;
}

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
cpp 复制代码 
template<class T>
class Base{
	
	T a;
};
// 必须知道父类中的T类型，才能继承给子类
class Son : public Base    // 这里会报错，
{						   // 因为子类继承模板父类时，相应的属性都继承，不知道分配给T类型多少内存 
	
	
};
// 正确的  指定父类的类型 但是这样不能灵活的使用模板
class Son : public Base<int>{

};
// 可以正常实例化对象 已经在继承中指定了类型就不需要用模板显示指定类型创建对象
void test01(){
		
	Son s1;
}
//----------------------------------------------------------------------
// 如果想灵活的指定父类中T类型，子类也需要变类模板
template<class T>  
class Base {

	T a;
};
// 类模板对象做函数参数 
// 创建对象s2后，因为子类继承之后也模板化了，所以需要显示指定类型创建对象
template<class T1,class T2>
class Son2 : public Base<T2> {

	T2 b;
};
void test02(){
	// 这里创建对象之后，先将int传入T1，char传入T2，相当于显示指定了子类与继承父类的类型，这样就可以了
	Son2<int,char>s2;   
}

类模板成员函数的类外实现

类模板中成员函数的类外实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 类模板成员函数类外实现
template <class T1,  class T2>
class Person
{
public:
    // 成员函数类内声明
    Person(T1 name, T2 age);
    void showPerson();

    T1 m_Name;
    T2 m_Age;
};
// 加入作用域 Person作用域下的构造函数，还得让编译器知道是模板的构造函数，需要在作用域加<T1,T2>
// 普通成员函数（构造函数的类外实现）模板类的成员函数类外实现需要在作用域上加<T1,T2>
Person::Person(T1 name, T2 age){
	this->m_Name = name;
	this->m_age = age;
}
Person<T1,T2>::Person(T1 name, T2 age){

		this->m_Name = name;
		this->m_age = age;
}
// 同样需要写模板声明和模板的参数列表
template<class T1,class T2>
void Person<T1,T2>::showPerson(){

	cout << "姓名：" << this->m_Name << " 年龄：" << this->m_Age << endl;
}

void test01(){
	Person<string,int> p("Tom",20);
	p.showPerson();
	
}

类模板分文件编写

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文件（模板声明放在h文件中，实现还是防在原来的cpp文件中，直接包含person.h还是会报错，将person.h改为person.cpp就成功了）

解决方式2：将声明和实现写在同一个文件中，并更改后缀名为hpp，hpp是约定的名称，并不是强制。（将函数声明和实现都写在hpp文件中）

person.hpp中代码：

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template <class T1, class T2>
class Person
{
public:
    Person(T1 name, T2 age);
    void showPerson();

    T1 m_Name;
    T2 m_Age;
};

// 构造函数类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
    this->m_Name = name;
    this->m_Age = age;
}

// 成员函数类外实现
template <class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
    cout << "姓名：" << this->m_Name << " 年龄：" << this->m_Age << endl;
}

如果单纯在h文件中声明，cpp文件中实现，编译能通过，但是当链接运行时会找不到函数实现。因为模板类在调用的时候才会去找具体实现，但是编译的时候只编译了h文件，所以找不到实现。

第二种方法，就是直接将声明和实现都写在hpp中。

类模板和友元

  • 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
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

// 2.全局函数配合友元，类外实现------先做函数声明，下方再做函数模板定义，再做友元
template<class T1, class T2> class Person;

// 如果声明了函数模板，可以将实现写在后面，否则需要将实现体写在类的前面让编译器提前知道
// template <class T1, class T2> void printPerson(Person<T1, T2> &p);

template <class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> &p)
{
    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
    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 需要加<>空参数列表 告诉编译器这是个模板函数
    // 需要让编译器知道模板的存在，需要把模板的实现放在上面
    friend void printPerson2<>(Person<T1, T2> &p);

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", 18);
    printPerson(p);
}

// 2.全局函数在类外实现
void test02()
{
    Person<string, int> p("Tina", 19);
    printPerson2(p);
}
int main()
{
    test01();
    test02();
    return 0;
}
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