C++ 模板（函数模板与类模板）

模板

模板介绍

C++提供了函数模板（function template）。所谓函数模板。实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就称为函数模板。凡事函数体相同的函数都可以使用这个模板代替，不必定义多个函数，只需在模板中定义一次即可。在调用函数时系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现不同的函数功能。

C++提供了两种模板机制：函数模板和类模板

意义：

• 模板把函数或类要处理的数据类型参数化，表现为参数的多态性，称为类属。
• 模板用于表达逻辑结构相同，但具体数据元素类型不同的数据对象的通用行为。

函数模板

下面举例说明一下函数模板的具体用法。

假设有两个需求：

• 设计一个函数，实现两个int变量的值的交换
• 设计一个函数，实现两个double变量的值的交换

void mySwap(int &a, int &b){
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
void mySwap(double &a, double &b){
	double tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

如果还有需求要交换其他类型的变量，还需要继续添加函数，而代码几乎一致。并且一旦需求有变更，每个函数都要一个一个修改，非常繁琐且重复。

发现两个函数逻辑结构完全相同，只有变量类型不同，如果能设计一个通用的函数，能够把类型当做参数传递到这个函数中，就简单多了——这就是函数模板！

定义

• 用法：template<typename T>

template：模板关键字
typename：定义虚拟类型关键字，也可以使用class
T：定义的一个虚拟的类型，在这里暂时不确定是什么类型，等到调用这个函数的时候就可以确定了

template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b){
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main(){

	int a = 10, b = 20;
	double x = 3.14, y = 9.9;

	// 显式指定类型
	mySwap<int>(a, b);

	// 可以自动根据实参的类型进行推导
	mySwap(a, b);
	mySwap(x, y);

	cout << "a:" << a << endl;
	cout << "b:" << b << endl;
	cout << "x:" << x << endl;
	cout << "y:" << y << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

函数模板使用案例

• 需求
  • 定义一个函数模板，实现对数组中元素进行升序排序
  • 定义一个函数模板，实现将一个数组中元素拼接成为字符串返回

// 定义一个函数模板，实现对数组中元素进行升序排序
template<class T>
void mySort(T arr[], int len){
	for (int i = 0; i < len; i++){
		for (int j = i; j < len; j++){
			if (arr[i] > arr[j]){
				T tmp = arr[i];
				arr[i] = arr[j];
				arr[j] = tmp;
			}
		}
	}
}

// 定义一个函数模板，实现将一个数组中元素拼接成为字符串返回
template<class T>
void showArray(T arr[], int len){
	cout << "[";
	for (int i = 0; i < len - 1; i++){
		cout << arr[i] << ",";
	}
	cout << arr[len - 1] << "]" << endl;
}

int main(){
	// 定义一个int[]
	int array1[] = { 1, 3, 5, 7, 9, 0, 8, 6, 4, 2 };
	int len1 = sizeof(array1) / sizeof(int);
	mySort(array1, len1);
	showArray(array1, len1);

	// 定义一个double[]
	double array2[] = { 3.14, 9.28, 3, 3.44, -9.2, 8.22 };
	int len2 = sizeof(array2) / sizeof(double);
	mySort(array2, len2);
	showArray(array2, len2);

	// 定义一个char[]
	char array3[] = { 'a', 'l', '1', 'm', 'k' };
	int len3 = sizeof(array3) / sizeof(char);
	mySort(array3, len3);
	showArray(array3, len3);

	system("pause");
	return 0;
}

函数模板与普通函数

函数模板和普通函数在调用的时候需要注意：

• 普通函数的调用是可以发生自动类型转换的；而函数模板调用不允许发生自动类型转换
• 如果调用函数的时候，实参既可以匹配普通函数，又可以匹配函数模板，则优先匹配普通函数

函数模板重载

函数模板虽然很通用，但并不是万能的，有时候也会出现不适配的情况

template<class T>
bool compare(const T& t1, const T& t2) {
    return t1 > t2;
}

对于上述函数模板，如果比较的类型设置为自定义类型（如Person类型），则会出现无法比较的问题。

而函数模板的重载，就是为了解决特定对象的问题，通过函数模板的重载，可以为这些特定的数据类型提供具象化的模板

class Person {
public:
    int age;
};

template<class T>
bool compare(const T& t1, const T& t2) {
    return t1 > t2;
}

template<>
bool compare<Person>(const Person& p1, const Person& p2) {
    return p1.age > p2.age;
}


int main() {

    Person p1;
    p1.age = 15;

    Person p2;
    p2.age = 12;

    cout << compare(p1, p2) << endl;


    return 0;
}

类模板

类模板和函数模板的定义和使用基本是一样的，但是类模板和函数模板还是有点区别：

• 类模板不能自动类型推导

template<class T1, class T2 = int>  // 可以使用 = 指定默认类型
class NumberOperator {
public:
    T1 num1;
    T2 num2;

    void cal() {
        cout << num1 + num2 << endl;
    }
};

int main() {

    // 创建对象，不能类型推导，只能自己指定类型
    NumberOperator<int, int> op1;
    op1.num1 = 10;
    op1.num2 = 20;
    op1.cal();

    // 创建对象
    NumberOperator<double> op2;  // 默认 T2 = int
    op2.num1 = 3.14;
    op2.num2 = 10;
    op2.cal();

    return 0;
}

类模板做函数参数

template<class T1, class T2 = int>
class NumberOperation {
public:
    T1 num1;
    T2 num2;

    void cal() {
        cout << num1 + num2 << endl;
    }
};

// 参数中明确模板类
void useNumberOperation(NumberOperation<int, int>& op) {
    op.cal();
}

// 参数中使用模板
template<typename T1, typename T2>
void useNumberOperation02(NumberOperation<T1, T2>& op) {
    op.cal();
}

int main() {

    // 参数明确模板类调用
    NumberOperation<int, int> op;
    op.num1 = 10;
    op.num2 = 20;
    useNumberOperation(op);

    // 参数模板
    NumberOperation<double, int> op2;
    op2.num1 = 10.5;
    op2.num2 = 5;
    useNumberOperation02(op2);

    return 0;
}

类模板继承

// 定义模板类
template<typename T>
class Animal {
public:
    T arg;
};

// 普通类继承模板类的时候，必须明确指定类型
class Dog: Animal<int> {
    // 这里继承到的arg的数据类型是int
};

template<typename E>
class Person: Animal<E> {
    // 这里继承到的arg的数据类型是E
};

类模板类外实现

template<typename T, typename M>
class NumberCalculator {
private:
    T n1;
    M n2;
public:
    NumberCalculator() {}
    NumberCalculator(T n1, M n2);
    
    void add();
};
// 构造函数类外实现
template<typename T, typename M>
NumberCalculator<T, M>::NumberCalculator(T n1, M n2) {
    this->n1 = n1;
    this->n2 = n2;
}
// 普通函数类外实现
template<typename T, typename M>
NumberCalculator<T, M>::add() {
    cout << n1 + n2 << endl;
}

类模板头文件和源文件分离问题

我们在写程序时，很多时候需要将类的声明和实现分开来写。将类的声明部分写到.h文件中，将类的实现部分写到.cpp文件中。在使用到这个类的时候，直接包含.h文件即可。但当一个类是模板类时，这样做会出现问题。

我们虽然引入了.h文件，但是模板类中的函数是在调用的时候才会创建，因此在编译阶段不会管对应的.cpp文件中的实现部分。
而到了使用这个函数的时候，发现这个函数已经创建了但是没有实现，编译器也会因此而报错。相当于我们只是在.h中声明了函数，但是并没有实现。

解决办法：

• 使用#include引入.cpp文件
• 或是将类的声明和实现放到一个文件中（这个文件我们习惯上会定义为.hpp文件，但并不是绝对的，只是一个习惯和约定的问题。）