【C++提高】函数模板和类模板

函数模板和类模板

  • 引言：什么是C++中的模板？
  • 一、函数模板
    • 1. 函数模板的基本操作
      • 1.1 函数模板的创建
      • 1.2 函数模板的使用
      • 1.3 函数模板的注意事项
    • 2. 普通函数与函数模板
      • 2.1 转换规则
      • 2.2 调用规则
    • 3. 函数模板的局限性
      • 3.1 局限性举例
      • 3.2 局限性解决
  • 二、类模板
    • 1. 类模板的基本操作
      • 1.1 类模板的声明
      • 1.2 类模板的使用（与函数模板的区别）
    • 2. 类模板中成员函数的创建
    • 3. 类模板对象做函数参数
      • 3.1 直接显示对象的数据类型
      • 3.2 类模板对象中的参数变为模板
      • 3.3 类模板整个对象类型变为模板
    • 4. 类模板成员函数类外实现
    • 5. 类模板与友元
      • 5.1 全局函数类内实现
      • 5.2 全局函数类外实现
    • 6. 类模板的继承
      • 6.1 子类指定父类T的类型
      • 6.2 子类也为类模板
    • 7. 类模板的分文件编写
      • 7.1 问题详述
      • 7.2 解决方式
        • 7.2.1 引用cpp文件
        • 7.2.2 引用hpp文件（推荐）

引言：什么是C++中的模板？

模板就是通用的模具，它会大大提高代码的复用性。C++另一种编程思想称为泛型编程，主要利用的技术就是模板。

C++提供两种模板机制，分别是函数模板和类模板。

一、函数模板

1. 函数模板的基本操作

函数模板其实就是我们所建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化。

1.1 函数模板的创建

其语法如下：

template<typename T>
函数声明或定义

其中，template 用于声明创建模板；typename 表示其后面的符号是一种数据类型，该关键字可以用class代替；T 就是通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母。

//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;
}

1.2 函数模板的使用

使用函数模板有两种方式，即自动类型推导和显示指定类型。

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	//利用模板实现交换
	//1、自动类型推导
	mySwap(a, b);
	//2、显示指定类型
	mySwap<int>(a, b);
	//注意，此时函数模板定义的参数类型为T&，所以调用该参数模板时，不能直接用字面类型的值，T&=字面值，是不符合语法规范的
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
}

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

1.3 函数模板的注意事项

  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。
  2. 模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用。
//利用模板提供通用的交换函数
template<class 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T
	//mySwap(a, c); // 错误，推导不出一致的T类型
}


// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func()
{
	cout << "func 调用" << endl;
}

void test02()
{
	//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
}

int main() {

	test01();
	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

2. 普通函数与函数模板

2.1 转换规则

  1. 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）。
  2. 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。
  3. 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换。
//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 = 'c';
	
	cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确，将char类型的'c'隐式转换为int类型  'c' 对应 ASCII码 99

	//myAdd02(a, c); // 报错，使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换

	myAdd02<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;
}

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。

2.2 调用规则

  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。
//普通函数与函数模板调用规则
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(T a, T b, T c) 
{ 
	cout << "调用重载的模板" << 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
	int a = 10;
	int b = 20;
	myPrint(a, b); //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
	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
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性。

3. 函数模板的局限性

模板的通用性并不是万能的，即函数模板并不一定适用于所有情况。

3.1 局限性举例

	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，则无法正常运行。

3.2 局限性解决

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。显示具体化的模板编写以template<>开头，并通过形参类型来指出类型，具体化模板优先于常规模板。

#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，显示具体化的模板编写以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();

	system("pause");

	return 0;
}

注解：该问题也可以通过运算符重载来解决。

二、类模板

类模板就是建立一个通用类，类中的成员数据类型可以不具体指定，用一个虚拟的类型来代表。类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板。

1. 类模板的基本操作

1.1 类模板的声明

类模板的语法如下：

template<typename T>
类

其中，template 用于声明创建模板；typename 表示其后面的符号是一种数据类型，该关键字可以用class代替；T 就是通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母。

1.2 类模板的使用（与函数模板的区别）

  1. 类模板只能用显示指定类型方式，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有默认参数。
#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
	}
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};

//1、类模板没有自动类型推导的使用方式
void test01()
{
	// Person p("孙悟空", 1000); // 错误 类模板使用时候，不可以用自动类型推导
	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();
}

//2、类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02()
{
	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
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

2. 类模板中成员函数的创建

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：

  1. 普通类中的成员函数一开始就可以创建，也即程序编译完成就已经创建完毕。
  2. 类模板中的成员函数在调用时才创建，即程序开始调用运行时才会开始创建。
class Person1
{
public:
	void showPerson1()
	{
		cout << "Person1 show" << endl;
	}
};

class Person2
{
public:
	void showPerson2()
	{
		cout << "Person2 show" << 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，而是在模板调用时再生成

	void fun1() { obj.showPerson1(); }
	void fun2() { obj.showPerson2(); }

};

void test01()
{
	MyClass<Person1> m;
	
	m.fun1();

	//m.fun2();//编译会出错，说明函数调用才会去创建成员函数
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

3. 类模板对象做函数参数

类模板实例化出的对象也可以作为函数的一个参数，此时该函数有三种定义方式：

  1. 直接显示类模板对象的数据类型。
  2. 将类模板对象中的参数变为模板进行传递，此时该函数变为模板函数。
  3. 将类模板整个对象类型变为模板进行传递，此时该函数变为模板函数。

第一种指定传入的类型使用比较广泛。

3.1 直接显示对象的数据类型

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
	}
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};

//指定传入的类型
void printPerson1(Person<string, int> &p) 
{
	p.showPerson();
}
void test01()
{
	Person <string, int >p("孙悟空", 100);
	printPerson1(p);
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

3.2 类模板对象中的参数变为模板

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
	}
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};

//参数模板化
template <class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>&p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T1的类型为： " << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
void test02()
{
	Person <string, int >p("猪八戒", 90);
	printPerson2(p);
}

int main() {

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

3.3 类模板整个对象类型变为模板

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
	}
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};

//整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T & p)
{
	cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
	p.showPerson();

}
void test03()
{
	Person <string, int >p("唐僧", 30);
	printPerson3(p);
}

int main() {

	test03();

	system("pause");

	return 0;
}

4. 类模板成员函数类外实现

类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表。

#include <string>

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

public:
	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;
}

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

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

5. 类模板与友元

类模板的友元全局函数可以分为类内实现和类外实现两种方式。类内实现用法简单且编译器可以直接识别，所以推荐类内实现。下面对两种实现方式进行介绍。

5.1 全局函数类内实现

直接在类内声明友元即可，无需其他操作，简单方便。

#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person
{
	//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;
	}

public:

	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

private:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

};

//全局函数在类内实现
void test01()
{
	Person <string, int >p("Tom", 20);
	printPerson(p);
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

5.2 全局函数类外实现

类外实现由于需要提前让编译器知道全局函数的存在，所以整体比较复杂，整体思想如下：

  1. 类外实现由于用到了类模板的类型，所以需要声明为模板函数。
  2. 由于类外实现式模板函数，类内声明友元时也需要加上空模板参数列表<>表明声明的是模板函数。
  3. 由于模板类中用到了模板函数作为友元，所以需要让编译器在编译模板类之前提前知道有此模板函数。因此，必须将模板函数写在模板类的前面，或者在模板类的前面写上模板函数的声明。
  4. 由于模板函数用到了模板类的内容，所以需要让编译器在编译模板函数之前提前知道有此模板类。因此，必须将模板类的声明再写在模板函数之前。
#include <string>

//全局函数配合友元  类外实现 - 先做函数模板声明，下方在做函数模板定义，在做友元
template<class T1, class T2> class Person;

//如果声明了函数模板，可以将实现写到后面，否则需要将实现体写到类的前面让编译器提前看到
//template<class T1, class T2> void printPerson2(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
{
	//全局函数配合友元  类外实现
	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;

};

//全局函数在类外实现
void test02()
{
	Person <string, int >p("Jerry", 30);
	printPerson2(p);
}

int main() {

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

6. 类模板的继承

当父类为类模板时，子类有三种继承方式：

  1. 子类在声明时，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。
  2. 子类依然为类模板，此时可以灵活指定出父类中T的类型。

6.1 子类指定父类T的类型

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

//class Son:public Base  //错误，c++编译需要给子类分配内存，必须知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son :public Base<int> //必须指定一个类型
{
};
void test01()
{
	Son c;
}

int main() {

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

6.2 子类也为类模板

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

//类模板继承类模板 ,可以用T2指定父类中的T类型
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
public:
	Son2()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
	}
};

void test02()
{
	Son2<int, char> child1;
}


int main() {

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

此时，子类模板中的T1是子类自定义的，T2是从父类继承而来的。当模板子类创建对象时，显式指定了T1的类型为int，T2的类型为char。此时，说明该模板子类的父类中的类型T也为char，故父类中的属性m为char类型。因此，模板子类对象所继承的父类的属性m也就是char类型。

7. 类模板的分文件编写

类模板再分文件编写时，不能像普通的类一样操作，否则会报解析出错的问题。这是因为类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，分文件编写时链接不到，所以调用时也就无法调用，导致解析出错。

7.1 问题详述

如果按照普通的类进行分文件处理，内容如下：

  1. .h文件：
    #pragma once
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};
  2. 源文件.cpp
    #include<iostream>
#include "person.h"
using namespace std;

//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;
}
  3. 在使用到模板类的文件中，引入.h头文件。
    #include<iostream>
#include "person.h"
using namespace std;

void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 10);
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

此时程序会报错，原因是在程序编译时，由于没有创建类模板的成员函数，所以此时.h文件和.cpp并未进行链接，编译器只知道有类模板的成员函数，但并不知道成员函数的具体实现，因此，程序编译后运行时，无法调用到具体的实现，导致出错。

7.2 解决方式

为了解决上述问题，C++提供了两种方法，即直接引用.cpp文件或编写.hpp文件引用。

7.2.1 引用cpp文件
  1. .h文件：
    #pragma once
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};
  2. .cpp文件
    #pragma once
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();
public:
	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;
}
  3. 使用模板类的文件
    #include<iostream>
#include "person.cpp" //解决方式一，包含cpp源文件
using namespace std;

void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 10);
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

直接将.cpp文件引入使用类模板的文件中，这种解决方式的原理是，.cpp文件中引入了.h头文件，所以该文件中既有模板类的声明，又有具体函数的实现。此时，直接将cpp文件引入，可以在编译后也知道模板类的声明的具体实现，这样运行时就可以找到具体的实现了。

7.2.2 引用hpp文件（推荐）
  1. .hpp文件：
    #pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person {
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();
public:
	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;
}
  2. 使用模板类的文件
    #include<iostream>
//解决方式二，将声明和实现写到一起，文件后缀名改为.hpp，直接引入.hpp文件
#include "person.hpp"
using namespace std;

void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 10);
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

这种解决方式的原理就是.hpp文件中既有既有模板类的声明，又有具体函数的实现，所以，在编译后也会知道模板类的声明的具体实现，因此运行时就可以找到具体的实现了。

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