C++ 模板詳解（一）

2019-11-14 08:57:15

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C++模板

　　模板是C++支持參數化多態的工具，使用模板可以使用戶為類或者函數聲明一種一般模式，使得類中的某些數據成員或者成員函數的參數、返回值取得任意類型。

　　模板是一種對類型進行參數化的工具；

　　通常有兩種形式：函數模板和類模板；

　　函數模板針對僅參數類型不同的函數；

　　類模板針對僅數據成員和成員函數類型不同的類。

　　使用模板的目的就是能夠讓程序員編寫與類型無關的代碼。比如編寫了一個交換兩個整型int 類型的swap函數，這個函數就只能實現int 型，對double，字符這些類型無法實現，要實現這些類型的交換就要重新編寫另一個swap函數。使用模板的目的就是要讓這程序的實現與類型無關，比如一個swap模板函數，即可以實現int 型，又可以實現double型的交換。模板可以應用于函數和類。下面分別介紹。

　　注意：模板的聲明或定義只能在全局，命名空間或類范圍內進行。即不能在局部范圍，函數內進行，比如不能在main函數中聲明或定義一個模板。

一、函數模板通式

1、函數模板的格式：

　　　　template <class形參名，class形參名，......> 返回類型函數名(參數列表)

　　　{

　　　　　　函數體

　　　}

　　其中template和class是關見字，class可以用typename 關見字代替，在這里typename 和class沒區別，<>括號中的參數叫模板形參，模板形參和函數形參很相像，模板形參不能為空。一但聲明了模板函數就可以用模板函數的形參名聲明類中的成員變量和成員函數，即可以在該函數中使用內置類型的地方都可以使用模板形參名。模板形參需要調用該模板函數時提供的模板實參來初始化模板形參，一旦編譯器確定了實際的模板實參類型就稱他實例化了函數模板的一個實例。比如swap的模板函數形式為

　　　　　　template <class T> void swap(T& a, T& b){}，

當調用這樣的模板函數時類型T就會被被調用時的類型所代替，比如swap(a,b)其中a和b是int 型，這時模板函數swap中的形參T就會被int 所代替，模板函數就變為swap(int &a, int &b)。而當swap(c,d)其中c和d是double類型時，模板函數會被替換為swap(double &a, double &b)，這樣就實現了函數的實現與類型無關的代碼。

　　2、注意：對于函數模板而言不存在 h(int,int) 這樣的調用，不能在函數調用的參數中指定模板形參的類型，對函數模板的調用應使用實參推演來進行，即只能進行 h(2,3) 這樣的調用，或者int a, b; h(a,b)。

　　函數模板的示例演示將在下文中涉及！

二、類模板通式

　　1、類模板的格式為：

　　　　template<class 形參名，class形參名，…> class 類名

　　　　{ ... };

　　類模板和函數模板都是以template開始后接模板形參列表組成，模板形參不能為空，一但聲明了類模板就可以用類模板的形參名聲明類中的成員變量和成員函數，即可以在類中使用內置類型的地方都可以使用模板形參名來聲明。比如

　　　　template<class T> class A{public: T a; T b; T hy(T c, T &d);};

在類A中聲明了兩個類型為T的成員變量a和b，還聲明了一個返回類型為T帶兩個參數類型為T的函數hy。

　　2、類模板對象的創建：比如一個模板類A，則使用類模板創建對象的方法為A<int> m;在類A后面跟上一個<>尖括號并在里面填上相應的類型，這樣的話類A中凡是用到模板形參的地方都會被int 所代替。當類模板有兩個模板形參時創建對象的方法為A<int, double> m;類型之間用逗號隔開。

　　3、對于類模板，模板形參的類型必須在類名后的尖括號中明確指定。比如A<2> m;用這種方法把模板形參設置為int是錯誤的（編譯錯誤：error C2079: 'a' uses undefined class 'A<int>'），類模板形參不存在實參推演的問題。也就是說不能把整型值2推演為int 型傳遞給模板形參。要把類模板形參調置為int 型必須這樣指定A<int> m。

　　4、在類模板外部定義成員函數的方法為：

　　　　template<模板形參列表> 函數返回類型類名<模板形參名>::函數名(參數列表){函數體}，

比如有兩個模板形參T1，T2的類A中含有一個void h()函數，則定義該函數的語法為：

　　　　template<class T1,class T2> void A<T1,T2>::h(){}。

注意：當在類外面定義類的成員時template后面的模板形參應與要定義的類的模板形參一致。

　　5、再次提醒注意：模板的聲明或定義只能在全局，命名空間或類范圍內進行。即不能在局部范圍，函數內進行，比如不能在main函數中聲明或定義一個模板。

三、模板的形參

有三種類型的模板形參：類型形參，非類型形參和模板形參。

　　1、類型形參

　　　　1.1 、類型模板形參：類型形參由關見字class或typename后接說明符構成，如template<class T> void h(T a){};其中T就是一個類型形參，類型形參的名字由用戶自已確定。模板形參表示的是一個未知的類型。模板類型形參可作為類型說明符用在模板中的任何地方，與內置類型說明符或類類型說明符的使用方式完全相同，即可以用于指定返回類型，變量聲明等。

　　　　作者原版：1.2、不能為同一個模板類型形參指定兩種不同的類型，比如template<class T>void h(T a, T b){}，語句調用h(2, 3.2)將出錯，因為該語句給同一模板形參T指定了兩種類型，第一個實參2把模板形參T指定為int，而第二個實參3.2把模板形參指定為double，兩種類型的形參不一致，會出錯。（針對函數模板）

　　　　作者原版：1.2針對函數模板是正確的，但是忽略了類模板。下面將對類模板的情況進行補充。

　　　　本人添加1.2補充版（針對于類模板）、當我們聲明類對象為：A<int> a，比如template<class T>T g(T a, T b){}，語句調用a.g(2, 3.2)在編譯時不會出錯，但會有警告，因為在聲明類對象的時候已經將T轉換為int類型，而第二個實參3.2把模板形參指定為double，在運行時，會對3.2進行強制類型轉換為3。當我們聲明類的對象為：A<double> a,此時就不會有上述的警告，因為從int到double是自動類型轉換。

演示示例１：

　　TemplateDemo.h

 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_HXX 2 #define TEMPLATE_DEMO_HXX 3  4 template<class T> class A{ 5     public: 6         T g(T a,T b); 7         A(); 8 }; 9 10 #endif　　TemplateDemo.cpp
 1 #include<iostream.h> 2 #include "TemplateDemo.h" 3  4 template<class T> A<T>::A(){} 5  6 template<class T> T A<T>::g(T a,T b){ 7     return a+b; 8 } 9 10 void main(){11     A<int> a;12     cout<<a.g(2,3.2)<<endl;13 }　　編譯結果：
1 --------------------Configuration: TemplateDemo - Win32 Debug--------------------2 Compiling...3 TemplateDemo.cpp4 G:/C++/CDaima/TemplateDemo/TemplateDemo.cpp(12) : warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'int', possible loss of data5 6 TemplateDemo.obj - 0 error(s), 1 warning(s)　　運行結果：　　　　　　5　　
　　我們從上面的測試示例中可以看出，并非作者原作中的那么嚴密！此處僅是本人跟人測試結果！請大家本著實事求是的態度，自行驗證！
 
　　2、非類型形參
　　　　2.1 、非類型模板形參：模板的非類型形參也就是內置類型形參，如template<class T, int a> class B{};其中int a就是非類型的模板形參。
　　　　2.2、 非類型形參在模板定義的內部是常量值，也就是說非類型形參在模板的內部是常量。
　　　　2.3、 非類型模板的形參只能是整型，指針和引用，像double，String, String **這樣的類型是不允許的。但是double &，double *，對象的引用或指針是正確的。
　　　　2.4、 調用非類型模板形參的實參必須是一個常量表達式，即他必須能在編譯時計算出結果。
　　　　2.5 、注意：任何局部對象，局部變量，局部對象的地址，局部變量的地址都不是一個常量表達式，都不能用作非類型模板形參的實參。全局指針類型，全局變量，全局對象也不是一個常量表達式，不能用作非類型模板形參的實參。
　　　　2.6、 全局變量的地址或引用，全局對象的地址或引用const類型變量是常量表達式，可以用作非類型模板形參的實參。
　　　　2.7 、sizeof表達式的結果是一個常量表達式，也能用作非類型模板形參的實參。
　　　　2.8 、當模板的形參是整型時調用該模板時的實參必須是整型的，且在編譯期間是常量，比如template <class T, int a> class A{};如果有int b，這時A<int, b> m;將出錯，因為b不是常量，如果const int b，這時A<int, b> m;就是正確的，因為這時b是常量。
　　　　2.9 、非類型形參一般不應用于函數模板中，比如有函數模板template<class T, int a> void h(T b){}，若使用h(2)調用會出現無法為非類型形參a推演出參數的錯誤，對這種模板函數可以用顯示模板實參來解決，如用h<int, 3>(2)這樣就把非類型形參a設置為整數3。顯示模板實參在后面介紹。
　　　　2.10、 非類型模板形參的形參和實參間所允許的轉換　　　　　　1、允許從數組到指針，從函數到指針的轉換。如：template <int *a> class A{}; int b[1]; A<b> m;即數組到指針的轉換　　　　　　2、const修飾符的轉換。如：template<const int *a> class A{}; int b; A<&b> m;   即從int *到const int *的轉換。　　　　　　3、提升轉換。如：template<int a> class A{}; const short b=2; A<b> m; 即從short到int 的提升轉換　　　　　　4、整值轉換。如：template<unsigned int a> class A{};   A<3> m; 即從int 到unsigned int的轉換?！　　　　　?、常規轉換。
非類型形參演示示例1：
　　由用戶自己親自指定棧的大小，并實現棧的相關操作。
　　TemplateDemo.h
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_HXX 2 #define TEMPLATE_DEMO_HXX 3  4 template<class T,int MAXSIZE> class Stack{//MAXSIZE由用戶創建對象時自行設置 5     PRivate: 6         T elems[MAXSIZE];    // 包含元素的數組 7         int numElems;    // 元素的當前總個數 8     public: 9         Stack();    //構造函數10         void push(T const&);    //壓入元素11         void pop();        //彈出元素12         T top() const;    //返回棧頂元素13         bool empty() const{     // 返回棧是否為空14             return numElems == 0;15         }16         bool full() const{    // 返回棧是否已滿17             return numElems == MAXSIZE;18         }19 };20 21 template <class T,int MAXSIZE> 22 Stack<T,MAXSIZE>::Stack():numElems(0){     // 初始時棧不含元素23     // 不做任何事情24 }25 26 template <class T,int MAXSIZE>27 void Stack<T, MAXSIZE>::push(T const& elem){28     if(numElems == MAXSIZE){29         throw std::out_of_range("Stack<>::push(): stack is full");30     }31     elems[numElems] = elem;   // 附加元素32     ++numElems;               // 增加元素的個數33 }34 35 template<class T,int MAXSIZE>36 void Stack<T,MAXSIZE>::pop(){37     if (numElems <= 0) {38         throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");39     }40     --numElems;               // 減少元素的個數41 }42 43 template <class T,int MAXSIZE>44 T Stack<T,MAXSIZE>::top()const{45     if (numElems <= 0) {46         throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");47     }48     return elems[numElems-1];  // 返回最后一個元素49 }50 51 #endif　　TemplateDemo.cpp
 1 #include<iostream.h> 2 #include <iostream> 3 #include <string> 4 #include <cstdlib> 5 #include "TemplateDemo.h" 6  7 int main(){ 8     try { 9         Stack<int,20>  int20Stack;  // 可以存儲20個int元素的棧10         Stack<int,40>  int40Stack;  // 可以存儲40個int元素的棧11         Stack<std::string,40> stringStack; // 可存儲40個string元素的棧12 13         // 使用可存儲20個int元素的棧14         int20Stack.push(7);15         std::cout << int20Stack.top() << std::endl;    //716         int20Stack.pop();17 18         // 使用可存儲40個string的棧19         stringStack.push("hello");20         std::cout << stringStack.top() << std::endl;    //hello21         stringStack.pop();    22         stringStack.pop();    //Exception: Stack<>::pop<>: empty stack23         return 0;24     }25     catch (std::exception const& ex) {26         std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;27         return EXIT_FAILURE;  // 退出程序且有ERROR標記28     }29 }　　運行結果：
　　　　
 非類型形參演示示例2：
　　TemplateDemo01.h
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_O1 2 #define TEMPLATE_DEMO_01 3  4 template<typename T> class CompareDemo{ 5     public: 6         int compare(const T&, const T&); 7 }; 8  9 template<typename T> 10 int CompareDemo<T>::compare(const T& a,const T& b){11     if((a-b)>0)12         return 1;13     else if((a-b)<0)14         return -1;15     else16         return 0;17 }18 19 #endif　　TemplateDemo01.cpp
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<int> cd;6     cout<<cd.compare(2,3)<<endl;7 }　　運行結果：　　　　　-1　
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<double> cd;6     cout<<cd.compare(3.2,3.1)<<endl;7 }　　運行結果：　　　　　　1　　
　　TemplateDemo01.h 改動如下：
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_O1 2 #define TEMPLATE_DEMO_01 3  4 template<typename T> class CompareDemo{ 5     public: 6         int compare(T&, T&); 7 }; 8  9 template<typename T> 10 int CompareDemo<T>::compare(T& a,T& b){11     if((a-b)>0)12         return 1;13     else if((a-b)<0)14         return -1;15     else16         return 0;17 }18 19 #endif　　TempalteDemo01.cpp
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<int> cd;6     int a=2,b=3;7     cout<<cd.compare(a,b)<<endl;8 } 
 非類型形參演示示例3：
　　TemplateDemo02.cpp
 1 #include<iostream.h> 2  3 template<typename T> 4 const T& max(const T& a,const T& b){ 5     return a>b ? a:b; 6 } 7  8 void main(){ 9     cout<<max(2.1,2.2)<<endl;//模板實參被隱式推演成double10     cout<<max<double>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定模板參數。11     cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定的模板參數，會將函數函數直接轉換為int。12 }　　運行結果：
　　　　　　　
cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定的模板參數，會將函數函數直接轉換為int。此語句會出現警告：1 --------------------Configuration: TemplateDemo02 - Win32 Debug--------------------2 Compiling...3 TemplateDemo02.cpp4 G:/C++/CDaima/TemplateDemo02/TemplateDemo02.cpp(11) : 　　warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'const int', possible loss of data5 G:/C++/CDaima/TemplateDemo02/TemplateDemo02.cpp(11) : 　　warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'const int', possible loss of data6 7 TemplateDemo02.obj - 0 error(s), 2 warning(s)