template模板

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一、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。

二、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 <typename identifier> function_declaration;

swap函数模板的声明和定义代码如下:

//method.h

template<typename T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

//method.cpp

template<typename T> 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 <stdio.h>

#include "method.h"

int main() {

//模板方法

int num1 = 1, num2 = 2;

swap<int>(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"。

三、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<T>::Stack(){

m_maxSize = 100;

m_size = 0;

m_pT = new T[m_maxSize];

}

template <class T> Stack<T>::~Stack() {

delete [] m_pT ;

}

template <class T> void Stack<T>::push(T t) {

m_size++;

m_pT[m_size - 1] = t;

}

template <class T> T Stack<T>::pop() {

T t = m_pT[m_size - 1];

m_size--;

return t;

}

template <class T> bool Stack<T>::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 <stdio.h>

#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;

}

四、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<T, maxsize>::Stack(){

m_maxSize = maxsize;

m_size = 0;

m_pT = new T[m_maxSize];

}

template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::~Stack() {

delete [] m_pT ;

}

template <class T,int maxsize> void Stack<T, maxsize>::push(T t) {

m_size++;

m_pT[m_size - 1] = t;

}

template <class T,int maxsize> T Stack<T, maxsize>::pop() {

T t = m_pT[m_size - 1];

m_size--;

return t;

}

template <class T,int maxsize> bool Stack<T, maxsize>::isEmpty() {

return m_size == 0;

}

使用示例如下:

//main.cpp

#include <stdio.h>

#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;

}

五、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<int>,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 <vector>

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 <stdio.h>

#include <vector>

#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<int>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<V>& t1, std::vector<V>& t2) {

t1.swap(t2);

}

就可以了，其他代码不变。

六、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>

#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。

七、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 <stdio.h>

#include "stack.h"

#include "shape.h"

int main() {

Stack<Circle*> pcircleStack;

Stack<Shape*> pshapeStack;

pcircleStack.push(new Circle);

pshapeStack = pcircleStack;

return 0;

}

这里是无法编译的，因为Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>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<T2>();

private:

T *m_pT;

int m_maxSize;

int m_size;

};

#include "stack.cpp"

template <class T> Stack<T>::Stack(){

m_maxSize = 100;

m_size = 0;

m_pT = new T[m_maxSize];

}

template <class T> Stack<T>::~Stack() {

delete [] m_pT ;

}

template <class T> void Stack<T>::push(T t) {

m_size++;

m_pT[m_size - 1] = t;

}

template <class T> T Stack<T>::pop() {

T t = m_pT[m_size - 1];

m_size--;

return t;

}

template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {

return m_size == 0;

}

template <class T> template <class T2> Stack<T>::operator Stack<T2>() {

Stack<T2> StackT2;

for (int i = 0; i < m_size; i++) {

StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);

}

return StackT2;

}

//main.cpp

#include <stdio.h>

#include "stack.h"

#include "shape.h"

int main() {

Stack<Circle*> pcircleStack;

Stack<Shape*> pshapeStack;

pcircleStack.push(new Circle);

pshapeStack = pcircleStack;

return 0;

}

这样，Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自动转换为Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果转换的类型是Stack<int>到Stack<Shape>，编译器会报错。

八、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;

}

（完）