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C++学习之模板 ----函数模板、类模板
本博文主要讨论函数模板与类模板以及其简单应用。
1）、作用：函数模板和类模板都可以看做是一种代码产生器，往里面放入具体的类型，得到具体化的函数或者class。
2）、编译（分为两步）：
a）：实例化之前，先检查模板本身语法是否正确；
b）：根据 函数调用或者类模板调用 ，先去实例化模板代码，产生具体的函数/类。
也就是说， 没有函数调用或者类类型对象声明，就不会实例化模板代码，在目标文件obj中找不到模板的痕迹。
3）：优缺点
模板的缺点是代码膨胀，编译速度慢，而优点是运行速度快。
一、函数模板：
1）、简单操作，代码实现如下：
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <vector> 4 using namespace std; 5 6 template <typename T> 7 //修改办法2: 8 //T max(const T &a, const T &b) 9 const T &max(const T &a, const T &b)10 {11 return a > b ? a: b;12 }13 14 int main(int argc, const char *argv[])15 {16 cout << ::max(7, 42) << endl; //ok17 18 cout << ::max(5.5, 7.8) << endl; //ok19 20 string s1 = "hello"; 21 string s2 = "world";22 cout <<::max(s1, s2)<< endl; //ok23 24 //cout << ::max("hello", "worldd");//error char[6],char[7] 25 //虽然都是字符数组，但是长度也是参数的一部分，故两者不是同一类型26 27 //cout << ::max(3, 4.5) << endl;//error28 //会发生编译错误,因为编译器推断第一个类型为int，第二个为double，没有一个模板符合这个要求,这样就会发生强制转换而产生一个局部的中间变量。这个变量的引用作为return的返回值；即此时我们引用了一个局部变量，这时会产生错误. 29 //修改办法1：30 cout <<::max<int>(3, 6.5) << endl;31 cout << ::max(3, static_cast<int>(6.5)) << endl;32 33 return 0;34 }
2）、一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在；两者可以因为参数不同而构成重载；
模板函数重载时，现则函数版本的一些特点：
a）：条件相同时，选择非模板函数；例如 ：：max（7,42）；
b）：在强制类型转化，与可行的实例化模板之间，优先选择实例化模板；例如：：max（7.0，43.5），：：max（‘a’，‘b’）；
c）：若实例化版本不可行，则尝试普通函数的转化，例如：：max（‘a’。42.7）
d）参数是指针时，优先选择可实例化模板的引用版本，若不存在，则优先选择指针版本；
e）：总之，尽可能采用最匹配、开销最小的版本。
示例代码及注释如下：
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <vector> 4 using namespace std; 5 6 //调用策略--->精准调用 7 const int &max(const int &a, const int &b) 8 { 9 cout << "num.1"<< endl;10 return a> b? a: b;11 }12 13 template <typename T>14 const T *max(const T *a, const T *b)15 {16 cout <<"num.4" <<endl;17 return *a > *b ? a:b ;18 }19 20 template <typename T>21 const T &max(const T &a,const T &b)22 {23 cout << "num.2" << endl;24 return a> b? a: b;25 }26 27 template <typename T>28 const T &max(const T &a, const T &b, const T &c)29 {30 cout << "num.3"<< endl;31 return ::max(::max(a, b), c);32 }33 34 int main(int argc, const char *argv[])35 {36 cout <<::max(7, 42, 68) << endl; //3 1 137 cout <<::max(7.0, 43.6) << endl; //238 cout <<::max(‘a‘,‘b‘) << endl;//2 char39 cout <<::max(7, 42) << endl;//240 cout <<::max<>(7,42) << endl; //2 特定模板41 cout << ::max<double>(7,42)<< endl;//242 cout <<::max(‘a‘, 43.7)<<endl; //1 强制转换43 44 int a = 7;45 int b = 89;46 int *p1 = &a;47 int *p2 = &b;48 cout << ::max(p1, p2) << endl;//2 传引用,减少开销49 50 return 0;51 }
3）、值传递与引用传递的区别：
a）：值传递与引用传递对于形参而言，本质区别在于是否产生了局部变量；
b）：对于返回值而言，其区别在于， 返回时 是否产生了 临时变量。
c）： 对于非引用类型 的参数， 在实参演绎的过程中，会出现 从数组衰退成指针（decay），从而丢失长度信息；而引用类型 则不会引发 衰退 decay。
在模板函数重载中， 不要混合使用值传递和引用传递，而且要尽可能使用引用。
示例代码及注释如下：
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <vector> 4 #include <string.h> 5 using namespace std; 6 7 //传引用 8 template <typename T> 9 const T &max(const T &a, const T &b)10 {11 cout <<"num.1" << endl;12 return a> b? a: b;13 }14 15 //传值16 //修改1-->改为传引用17 //const char *&max(const char *&a, const char *&b)18 const char *max(const char *a, const char *b)19 {20 cout <<"num.2" << endl;21 return ::strcmp(a, b)> 0? a: b;22 }23 24 //传引用25 //修改2-->改为传值26 //const T max(const T &a, const T &b, const T &c)27 template <typename T>28 const T &max(const T &a, const T &b, const T &c)29 {30 cout <<"num.3" << endl;31 return ::max(::max(a, b), c);//return 临时变量32 //这里将临时变量的引用返回出去，可能导致错误33 //const char*tmp=::max(::max(s1,s2),s3)34 }35 36 int main(int argc, const char *argv[])37 {38 cout <<::max(7, 42, 68) << endl;39 40 const char *s1 = "beij";41 const char *s2 = "shangh";42 const char *s3 = "shenzh";43 44 cout <<::max(s1, s2, s3) << endl;45 46 return 0;47 }
二、类模板：
简单实现如下;
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <vector> 4 using namespace std; 5 6 template <typename T> 7 class Test 8 { 9 public:10 Test(const T &s);11 void print()const;12 13 private:14 T data_;15 };16 17 template <typename T>//若在类内部，则不必加Test<T>18 Test<T>::Test(const T &s)19 :data_(s)20 { }21 22 template <typename T> 23 void Test<T>::print()const24 {25 cout << data_ << endl;26 }27 28 int main(int argc, const char *argv[])29 {30 Test<int> t(12) ; // 比较vector<int> vec31 t.print();32 33 Test<string> t2("world");34 t2.print();35 36 return 0;37 }
注意：STL库中，vector就是一个典型的类模板，vector<int>和vector<string>是两个完全不同的类，同样，vector 不是一个完整的类名；vector必须具备 copy和assignment能力；
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <vector> 4 using namespace std; 5 6 //class with no copy, no assignment 7 class Test 8 { 9 public:10 Test() {};11 ~Test() {};12 13 private:14 Test(const Test &);15 void operator=(const Test &);16 };17 18 int main(int argc, const char *argv[])19 {20 vector<Test> vec; //运行此句时，没有产生错误21 Test t;22 23 vec.push_back(t);//此句产生错误。vector必须具备 copy和assignment 能力24 return 0;25 }
2）：下面我们用stack栈的简单实现来说明类模板的一些问题；
1 //Stack.hpp 2 #ifndef STACK_H_ 3 #define STACK_H_ 4 5 #include <vector> 6 #include <stdexcept> 7 8 template <typename T> 9 class Stack10 { 11 public:12 void push(const T &t);13 void pop();//出栈14 T top()const; //查看栈顶15 bool empty()const 16 { return elems_.empty(); }17 18 private:19 std::vector<T> elems_;20 };21 22 template <typename T>23 void Stack<T>::push(const T &t)//将t放入vector中24 {25 elems_.push_back(t);26 }27 28 template <typename T>29 void Stack<T>::pop()30 {31 if(! elems_.empty())32 elems_.pop_back();33 else34 throw std::out_of_range("out of range");35 }36 37 template <typename T>38 T Stack<T>::top()const39 {40 if(! elems_.empty())41 return elems_.back();42 else43 throw std::out_of_range("out of range");44 }45 #endif
main.cpp
1 //main.cpp 2 #include "Stack.hpp" 3 #include <iostream> 4 #include <string> 5 #include <vector> 6 using namespace std; 7 8 int main(int argc, const char *argv[]) 9 {10 try11 {12 Stack<int> st;13 st.push(7);14 cout << st.top() << endl;15 16 st.pop();17 st.pop(); //throw18 }19 catch(exception &e)20 {21 cout << e.what()<< endl; 22 }23 return 0;24 }
注意以上我们将Stack 的声明与定义放在同一个文件中，原因是：将Stack 拆分成 h 和cpp 文件，构建时产生了链接错误；
a）：模板的调用时机和代码的实例化必须放在同一时期；
b）：编译stack.cpp时，编译器找不到任何用户调用的代码，所以得到的 stack.o 文件为空， 使用 nm -A stack.o | grep （函数）
c）： 编译main.cpp时，编译器获取用户的调用，了解到应该去实例化 特定部分 代码 ，但是main.cpp中仅包含 .h 文件，编译器只能找到 模板的某些函数的声明，找不到其定义及实现。 所以推迟到 链接时期；
d）；链接时期，由于 stack.o 文件为空，需要链接的代码没有产生。。
3）;模板的特化：
1 //模板的特例化 2 #include "Stack.hpp" 3 #include <iostream> 4 #include <deque> 5 using namespace std; 6 7 template <> //模板特化 8 class Stack<string> 9 {10 public:11 void push(const string &s)12 {13 elems_.push_back(s);14 }15 16 void pop()17 {18 elems_.pop_back();19 }20 string top()const21 {22 return elems_.back();23 }24 bool empty()const25 {26 return elems_.empty();27 }28 private:29 std::deque<string> elems_;30 };31 32 int main(int argc, const char *argv[])33 {34 try35 {36 Stack<string> st;37 st.push("hello");38 }39 catch(exception &e)40 {41 cout << e.what() << endl;42 }43 44 return 0;45 }
4）：模板参数不仅可以为 类型， 而且可以为非类型（数值），需要注意的是，数值也是类名的一部分，例如 Stack<int, 5 > 和 Stack<int , 10> 不是同一类型。因此，二者的对象无法相互赋值。
缺省的模板参数：
Stack.hpp
1 #include "Stack.hpp" 2 #include <iostream> 3 #include <deque> 4 using namespace std; 5 6 int main(int argc, const char *argv[]) 7 { 8 try 9 {10 Stack<int> st;11 st.push(7);12 cout << st.top() << endl;13 st.pop();14 15 Stack<string, deque<string> > st2;16 st2.push("hello");17 st2.push("world");18 19 while(!st2.empty())20 {21 cout << st2.top() << endl;22 st2.pop();23 }24 }25 catch(exception &e)26 {27 cout << e.what()<< endl; 28 }29 return 0;30 }
main.cpp
1 #include "Stack.hpp" 2 #include <iostream> 3 #include <deque> 4 using namespace std; 5 6 int main(int argc, const char *argv[]) 7 { 8 try 9 {10 Stack<int> st;11 st.push(7);12 cout << st.top() << endl;13 st.pop();14 15 Stack<string, deque<string> > st2;16 st2.push("hello");17 st2.push("world");18 19 while(!st2.empty())20 {21 cout << st2.top() << endl;22 st2.pop();23 }24 }25 catch(exception &e)26 {27 cout << e.what()<< endl; 28 }29 return 0;30 }
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非类型模板实现如下：
Stack.hpp
1 #ifndef STACK_H_ 2 #define STACK_H_ 3 4 #include <vector> 5 #include <stdexcept> 6 7 //非类型模板形参--->此处int 8 template <typename T, int MAXSIZE> 9 class Stack10 { 11 public:12 Stack();13 void push(const T &t);14 void pop();//出栈15 T top()const; //查看栈顶16 17 bool empty()const 18 { return numElems_ == 0; }19 bool full()const 20 { return numElems_ ==MAXSIZE; }21 22 private:23 T elems_[MAXSIZE];24 int numElems_;//当前元素数量25 };26 27 template <typename T, int MAXSIZE >28 Stack<T,MAXSIZE>::Stack()29 :numElems_(0)30 {31 32 }33 template <typename T, int MAXSIZE >34 void Stack<T,MAXSIZE>::push(const T &elem)//将t放入vector中35 {36 if(full())//成员函数的调用37 throw std::runtime_error("full");38 elems_[numElems_++] =elem ;39 }40 41 template <typename T, int MAXSIZE >42 void Stack<T,MAXSIZE>::pop()43 {44 if(!empty())45 --numElems_;//数据还存在46 else47 throw std::out_of_range("out of range");48 }49 50 template <typename T, int MAXSIZE >51 T Stack<T,MAXSIZE>::top()const52 {53 return elems_[numElems_ -1];54 }55 #endif
main.cpp：
1 #include "Stack.hpp" 2 #include <iostream> 3 #include <deque> 4 using namespace std; 5 6 int main(int argc, const char *argv[]) 7 { 8 try 9 {10 Stack<int, 5> st;11 st.push(14);12 st.push(34);13 st.push(45);14 st.push(9);15 16 cout << st.empty()<< endl;17 18 Stack<int, 10> st2; // st 与 st2 类型不同19 }20 catch(exception &e)21 {22 cout << e.what()<< endl; 23 }24 return 0;25 }
C++学习之模板 ----函数模板、类模板
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