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C++ Template

MtrS
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发布于 2016/11/16 21:41
字数 1952
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C++ Template

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IO Stream。

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:

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 <class identifier> function_declaration;
template  function_declaration;

swap函数模板的声明和定义代码如下:

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

#include "method.cpp"
//method.cpp

template void swap(T& t1, T& t2) {
    T tmpT;
    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
#include "method.h"
int main() {
    //模板方法
    int num1 = 1, num2 = 2;
    swap(num1, num2);
    printf("num1:%d, num2:%d\n", num1, num2);  
    return 0;
}

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 <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::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}

template <class T> void Stack::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;

}
template <class T> T Stack::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack::isEmpty() {
    return m_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
#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<class T, T def_val> class Stack{...}

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 <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::Stack(){
   m_maxSize = maxsize;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T,int maxsize>  Stack::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}

template <class T,int maxsize> void Stack::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;

}
template <class T,int maxsize> T Stack::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T,int maxsize> bool Stack::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

使用示例如下:

//main.cpp
#include
#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,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<class T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"
#include
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
#include
#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<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

改为

template<class V> void swap(std::vector& t1, std::vector& 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 <class T>
 class compare
 {
  public:
  bool equal(T t1, T t2)
  {
       return t1 == t2;
  }
};
#include <iostream.h>
#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
  return 0;
 }

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 <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 class Shape {

}; class Circle : public Shape { };

然后我们希望可以这么使用:

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

这里是无法编译的,因为Stack不是Stack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 <class T> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
        template<class T2>  operator Stack();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"
template <class  T>  Stack::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}

template <class T> void Stack::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;

}
template <class T> T Stack::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

template <class T> template <class T2>  Stack::operator Stack() {
    Stack StackT2;
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);
    }
    return StackT2;
}
//main.cpp
#include
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
    Stack pcircleStack;
    Stack pshapeStack;
    pcircleStack.push(new Circle);
    pshapeStack = pcircleStack;
    return 0;
}

这样,Stack或者Stack就可以自动转换为Stack或者Stack,如果转换的类型是Stack到Stack,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:

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声明为static,代码如下:

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;
}

本文转载自:http://www.cnblogs.com/ggjucheng/archive/2011/12/18/2292090.html

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