C++ Template应用详解
引言
模板（Template）指C++程序设计设计语言中采用类型作为参数的程序设计，支持通用程序设计。C++的标准库提供许多有用的函数大多结合了模板的观念，如STL以及IOStream。
函数模板
在c++入门中，很多人会接触swap(int&,int&)这样的函数类似代码如下:
voidswap(int&a,int&b){
inttemp=a;
a=b;
b=temp;
}
但是如果是要支持long,string,自定义class的swap函数,代码和上述代码差不多，只是类型不同，这个时候就是我们定义swap的函数模板,就可以复用不同类型的swap函数代码，函数模板的声明形式如下:
template<classidentifier>function_declaration; template<typenameidentifier>function_declaration;
swap函数模板的声明和定义代码如下:
//method.h template<typenameT>voidswap(T&t1,T&t2); #include"method.cpp"
//method.cpp
template<typenameT>voidswap(T&t1,T&t2){
TtmpT;
tmpT=t1;
t1=t2;
t2=tmpT;
}
上述是模板的声明和定义了，那模板如何实例化呢，模板的实例化是编译器做的事情，与程序员无关，那么上述模板如何使用呢，代码如下:
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include"method.h"
intmain(){
//模板方法
intnum1=1,num2=2;
swap<int>(num1,num2);
printf("num1:%d,num2:%d\n",num1,num2);
return0;
}
这里使用swap函数，必须包含swap的定义，否则编译会出错，这个和一般的函数使用不一样。所以必须在method.h文件的最后一行加入#include"method.cpp"。
类模板
考虑我们写一个简单的栈的类，这个栈可以支持int类型，long类型，string类型等等，不利用类模板，我们就要写三个以上的stack类，其中代码基本一样，通过类模板，我们可以定义一个简单的栈模板，再根据需要实例化为int栈，long栈，string栈。
//statck.h
template<classT>classStack{
public:
Stack();
~Stack();
voidpush(Tt);
Tpop();
boolisEmpty();
private:
T*m_pT;
intm_maxSize;
intm_size;
};
#include"stack.cpp"
//stack.cpp
template<classT>Stack<T>::Stack(){
m_maxSize=100;
m_size=0;
m_pT=newT[m_maxSize];
}
template<classT>Stack<T>::~Stack(){
delete[]m_pT;
}
template<classT>voidStack<T>::push(Tt){
m_size++;
m_pT[m_size-1]=t;
}
template<classT>TStack<T>::pop(){
Tt=m_pT[m_size-1];
m_size--;
returnt;
}
template<classT>boolStack<T>::isEmpty(){
returnm_size==0;
}
上述定义了一个类模板--栈，这个栈很简单，只是为了说明类模板如何使用而已，最多只能支持100个元素入栈，使用示例如下:
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include"stack.h"
intmain(){
Stack<int>intStack;
intStack.push(1);
intStack.push(2);
intStack.push(3);
while(!intStack.isEmpty()){
printf("num:%d\n",intStack.pop());
}
return0;
}
模板参数
模板可以有类型参数，也可以有常规的类型参数int，也可以有默认模板参数，例如
template<classT,Tdef_val>classStack{...}
上述类模板的栈有一个限制，就是最多只能支持100个元素，我们可以使用模板参数配置这个栈的最大元素数,如果不配置，就设置默认最大值为100，代码如下:
//statck.h
template<classT,intmaxsize=100>classStack{
public:
Stack();
~Stack();
voidpush(Tt);
Tpop();
boolisEmpty();
private:
T*m_pT;
intm_maxSize;
intm_size;
};
#include"stack.cpp"
//stack.cpp
template<classT,intmaxsize>Stack<T,maxsize>::Stack(){
m_maxSize=maxsize;
m_size=0;
m_pT=newT[m_maxSize];
}
template<classT,intmaxsize>Stack<T,maxsize>::~Stack(){
delete[]m_pT;
}
template<classT,intmaxsize>voidStack<T,maxsize>::push(Tt){
m_size++;
m_pT[m_size-1]=t;
}
template<classT,intmaxsize>TStack<T,maxsize>::pop(){
Tt=m_pT[m_size-1];
m_size--;
returnt;
}
template<classT,intmaxsize>boolStack<T,maxsize>::isEmpty(){
returnm_size==0;
}
使用示例如下:
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include"stack.h"
intmain(){
intmaxsize=1024;
Stack<int,1024>intStack;
for(inti=0;i<maxsize;i++){
intStack.push(i);
}
while(!intStack.isEmpty()){
printf("num:%d\n",intStack.pop());
}
return0;
}
模板专门化
当我们要定义模板的不同实现，我们可以使用模板的专门化。例如我们定义的stack类模板，如果是char*类型的栈，我们希望可以复制char的所有数据到stack类中，因为只是保存char指针，char指针指向的内存有可能会失效，stack弹出的堆栈元素char指针，指向的内存可能已经无效了。还有我们定义的swap函数模板，在vector或者list等容器类型时，如果容器保存的对象很大，会占用大量内存，性能下降，因为要产生一个临时的大对象保存a，这些都需要模板的专门化才能解决。
函数模板专门化
假设我们swap函数要处理一个情况，我们有两个很多元素的vector<int>,在使用原来的swap函数，执行tmpT=t1要拷贝t1的全部元素，占用大量内存，造成性能下降，于是我们系统通过vector.swap函数解决这个问题,代码如下:
//method.h template<classT>voidswap(T&t1,T&t2); #include"method.cpp"
#include<vector>
usingnamespacestd;
template<classT>voidswap(T&t1,T&t2){
TtmpT;
tmpT=t1;
t1=t2;
t2=tmpT;
}
template<>voidswap(std::vector<int>&t1,std::vector<int>&t2){
t1.swap(t2);
}
template<>前缀表示这是一个专门化,描述时不用模板参数，使用示例如下:
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include<vector>
#include<string>
#include"method.h"
intmain(){
usingnamespacestd;
//模板方法
stringstr1="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(inti=0;i<v1.size();i++){
printf("v1[%d]:%d\n",i,v1[i]);
}
for(inti=0;i<v2.size();i++){
printf("v2[%d]:%d\n",i,v2[i]);
}
return0;
}
vector<int>的swap代码还是比较局限，如果要用模板专门化解决所有vector的swap，该如何做呢，只需要把下面代码
template<>voidswap(std::vector<int>&t1,std::vector<int>&t2){
t1.swap(t2);
}
改为
template<classV>voidswap(std::vector<V>&t1,std::vector<V>&t2){
t1.swap(t2);
}
就可以了，其他代码不变。
类模板专门化
请看下面compare代码:
//compare.h
template<classT>
classcompare
{
public:
boolequal(Tt1,Tt2)
{
returnt1==t2;
}
};
#include<iostream>
#include"compare.h"
intmain()
{
usingnamespacestd;
charstr1[]="Hello";
charstr2[]="Hello";
compare<int>c1;
compare<char*>c2;
cout<<c1.equal(1,1)<<endl;//比较两个int类型的参数
cout<<c2.equal(str1,str2)<<endl;//比较两个char*类型的参数
return0;
}
在比较两个整数，compare的equal方法是正确的，但是compare的模板参数是char*时，这个模板就不能工作了，于是修改如下:
//compare.h
#include<string.h>
template<classT>
classcompare
{
public:
boolequal(Tt1,Tt2)
{
returnt1==t2;
}
};
template<>classcompare<char*>
{
public:
boolequal(char*t1,char*t2)
{
returnstrcmp(t1,t2)==0;
}
};
main.cpp文件不变，此代码可以正常工作。
模板类型转换
还记得我们自定义的Stack模板吗，在我们的程序中，假设我们定义了Shape和Circle类，代码如下:
//shape.h
classShape{
};
classCircle:publicShape{
};
然后我们希望可以这么使用:
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include"stack.h"
#include"shape.h"
intmain(){
Stack<Circle*>pcircleStack;
Stack<Shape*>pshapeStack;
pcircleStack.push(newCircle);
pshapeStack=pcircleStack;
return0;
}
这里是无法编译的，因为Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父类，然而我们却希望代码可以这么工作，那我们就要定义转换运算符了，Stack代码如下:
//statck.h
template<classT>classStack{
public:
Stack();
~Stack();
voidpush(Tt);
Tpop();
boolisEmpty();
template<classT2>operatorStack<T2>();
private:
T*m_pT;
intm_maxSize;
intm_size;
};
#include"stack.cpp"
template<classT>Stack<T>::Stack(){
m_maxSize=100;
m_size=0;
m_pT=newT[m_maxSize];
}
template<classT>Stack<T>::~Stack(){
delete[]m_pT;
}
template<classT>voidStack<T>::push(Tt){
m_size++;
m_pT[m_size-1]=t;
}
template<classT>TStack<T>::pop(){
Tt=m_pT[m_size-1];
m_size--;
returnt;
}
template<classT>boolStack<T>::isEmpty(){
returnm_size==0;
}
template<classT>template<classT2>Stack<T>::operatorStack<T2>(){
Stack<T2>StackT2;
for(inti=0;i<m_size;i++){
StackT2.push((T2)m_pT[m_size-1]);
}
returnStackT2;
}
//main.cpp
#include<stdio.h>
#include"stack.h"
#include"shape.h"
intmain(){
Stack<Circle*>pcircleStack;
Stack<Shape*>pshapeStack;
pcircleStack.push(newCircle);
pshapeStack=pcircleStack;
return0;
}
这样，Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自动转换为Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果转换的类型是Stack<int>到Stack<Shape>，编译器会报错。
其他
一个类没有模板参数，但是成员函数有模板参数，是可行的，代码如下:
classUtil{
public:
template<classT>boolequal(Tt1,Tt2){
returnt1==t2;
}
};
intmain(){
Utilutil;
inta=1,b=2;
util.equal<int>(1,2);
return0;
}
甚至可以把Util的equal声明为static,代码如下:
classUtil{
public:
template<classT>staticboolequal(Tt1,Tt2){
returnt1==t2;
}
};
intmain(){
inta=1,b=2;
Util::equal<int>(1,2);
return0;
}
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。