C++解析(26)：函数模板与类模板

0.目录

1.函数模板

• 1.1 函数模板与泛型编程
• 1.2 多参数函数模板
• 1.3 函数重载遇上函数模板

2.类模板

• 2.1 类模板
• 2.2 多参数类模板与特化
• 2.3 特化的深度分析

3.小结

1.函数模板

1.1 函数模板与泛型编程

C++中有几种交换变量的方法？
交换变量的方法——定义宏代码块 vs 定义函数：

• 定义宏代码块
  1. 优点：代码复用，适合所有的类型
  2. 缺点：编译器不知道宏的存在，缺少类型检查
• 定义函数
  1. 优点：真正的函数调用，编译器对类型进行检查
  2. 缺点：根据类型重复定义函数，无法代码复用

C++中有没有解决方案集合两种方法的优点？

泛型编程的概念——不考虑具体数据类型的编程方式

函数模板：

• 一种特殊的函数可用不同类型进行调用
• 看起来和普通函数很相似，区别是类型可被参数化

函数模板的语法规则：

• template关键字用于声明开始进行泛型编程
• typename关键字用于声明泛型类型

函数模板的使用：

• 自动类型推导调用
• 具体类型显示调用

示例——使用函数模板：

#include <iostream>

using namespace std;

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

template < typename T >
void Sort(T a[], int len)
{
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        for(int j=i; j<len; j++)
        {
            if( a[i] > a[j] )
            {
                Swap(a[i], a[j]);
            }
        }
    }
}

template < typename T >
void Println(T a[], int len)
{
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        cout << a[i] << ", ";
    }
    
    cout << endl;
}

int main()
{
    int a[5] = {5, 3, 2, 4, 1};
    
    Println(a, 5);
    Sort(a, 5);
    Println(a, 5);
    
    string s[5] = {"Java", "C++", "Pascal", "Ruby", "Basic"};
    
    Println(s, 5);
    Sort(s, 5);
    Println(s, 5);
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
5, 3, 2, 4, 1, 
1, 2, 3, 4, 5, 
Java, C++, Pascal, Ruby, Basic, 
Basic, C++, Java, Pascal, Ruby,

函数模板深入理解：

• 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数
• 编译器会对函数模板进行两次编译
  1. 对模板代码本身进行编译
  2. 对参数替换后的代码进行编译

注意事项：

• 函数模板本身不允许隐式类型转换
  1. 自动推导类型时，必须严格匹配
  2. 显示类型指定时，能够进行隐式类型转换

示例——编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数：

#include <iostream>

using namespace std;

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

typedef void(FuncI)(int&, int&);
typedef void(FuncD)(double&, double&);

int main()
{
    FuncI* pi = Swap; // 编译器自动推导 T 为 int
    FuncD* pd = Swap; // 编译器自动推导 T 为 double
    
    cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;
    cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
pi = 0x40091e
pd = 0x40094a

可以看到，编译器通过函数模板产生了两个地址不同的实实在在的函数！

1.2 多参数函数模板

多参数函数模板——函数模板可以定义任意多个不同的类型参数：

对于多参数函数模板：

• 无法自动推导返回值类型
• 可以从左向右部分指定类型参数

示例——多参数函数模板：

#include <iostream>

using namespace std;

template 
< typename T1, typename T2, typename T3 >
T1 Add(T2 a, T3 b)
{
    return static_cast<T1>(a + b);
}

int main()
{
    // T1 = int, T2 = double, T3 = double
    int r1 = Add<int>(0.5, 0.8);

    // T1 = double, T2 = float, T3 = double
    double r2 = Add<double, float>(0.5, 0.8);

    // T1 = float, T2 = float, T3 = float
    float r3 = Add<float, float, float>(0.5, 0.8);

    cout << "r1 = " << r1 << endl;     // r1 = 1
    cout << "r2 = " << r2 << endl;     // r2 = 1.3
    cout << "r3 = " << r3 << endl;     // r3 = 1.3
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
r1 = 1
r2 = 1.3
r3 = 1.3

1.3 函数重载遇上函数模板

当函数重载遇上函数模板会发生什么？

函数模板可以像普通函数一样被重载：

• C++编译器优先考虑普通函数
• 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
• 可以通过空模板实参列表限定编译器只匹配模板

示例——重载函数模板：

#include <iostream>

using namespace std;

template < typename T >
T Max(T a, T b)
{
    cout << "T Max(T a, T b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

int Max(int a, int b)
{
    cout << "int Max(int a, int b)" << endl;
    
    return a > b ? a : b;
}

template < typename T >
T Max(T a, T b, T c)
{
    cout << "T Max(T a, T b, T c)" << endl;
    
    return Max(Max(a, b), c);
}

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    cout << Max(a, b) << endl;          // 普通函数 Max(int, int)
    cout << Max<>(a, b) << endl;        // 函数模板 Max<int>(int, int)
    cout << endl;
    
    cout << Max(3.0, 4.0) << endl;      // 函数模板 Max<double>(double, double)
    cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl; // 函数模板 Max<double>(double, double, double)
    cout << endl;
    
    cout << Max('a', 100) << endl;      // 普通函数 Max(int, int)
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
int Max(int a, int b)
2
T Max(T a, T b)
2

T Max(T a, T b)
4
T Max(T a, T b, T c)
T Max(T a, T b)
T Max(T a, T b)
7

int Max(int a, int b)
100

2.类模板

2.1 类模板

在C++中是否能够将泛型的思想应用于类？

类模板：

• 一些类主要用于存储和组织数据元素
• 类中数据组织的方式和数据元素的具体类型无关
• 如：数组类，链表类，Stack类，Queue类，等

C++中将模板的思想应用于类，使得类的实现不关注数据元素的具体类型，而只关注类所需要实现的功能。

C++中的类模板：

• 以相同的方式处理不同的类型
• 在类声明前使用template进行标识
• <typename T>用于说明类中使用的泛指类型 T

类模板的应用：

• 只能显示指定具体类型，无法自动推导
• 使用具体类型<Type>定义对象

• 声明的泛指类型 T 可以出现在类模板的任意地方
• 编译器对类模板的处理方式和函数模板相同
  1. 从类模板通过具体类型产生不同的类
  2. 在声明的地方对类模板代码本身进行编译
  3. 在使用的地方对参数替换后的代码进行编译

示例——类模板：

#include <iostream>

using namespace std;

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b) { return a + b; }
    T minus(T a, T b) { return a - b; }
    T multiply(T a, T b) { return a * b; }
    T divide(T a, T b) { return a / b; }
};

string operator-(string& l, string& r)
{
    return "Minus";
}

int main()
{
    Operator<int> op1;
    
    cout << op1.add(1, 2) << endl;
    
    Operator<string> op2;
    
    cout << op2.add("Hello", "World") << endl;
    cout << op2.minus("Hello", "World") << endl;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
3
HelloWorld
Minus

类模板的工程应用：

• 类模板必须在头文件中定义
• 类模板不能分开实现在不同的文件中
• 类模板外部定义的成员函数需要加上模板<>声明

示例——模板类的工程应用：

// Operator.h
#ifndef _OPERATOR_H_
#define _OPERATOR_H_

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b);
    T minus(T a, T b);
    T multiply(T a, T b);
    T divide(T a, T b);
};

template < typename T >
T Operator<T>::add(T a, T b)
{
    return a + b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::minus(T a, T b)
{
    return a - b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::multiply(T a, T b)
{
    return a * b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::divide(T a, T b)
{
    return a / b;
}

#endif

// test.cpp
#include <iostream>
#include "Operator.h"

using namespace std;

int main()
{
    Operator<int> op1;
    
    cout << op1.add(1, 2) << endl;
    cout << op1.multiply(4, 5) << endl;
    cout << op1.minus(5, 6) << endl;
    cout << op1.divide(10, 5) << endl;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
3
20
-1
2

2.2 多参数类模板与特化

类模板可以定义任意多个不同的类型参数：

类模板可以被特化：

• 指定类模板的特定实现
• 部分类型参数必须显示指定
• 根据类型参数分开实现类模板

类模板的特化类型：

• 部分特化——用特定规则约束类型参数
• 完全特化——完全显示指定类型参数

示例——类模板的特化：

#include <iostream>

using namespace std;

template
< typename T1, typename T2 >
class Test
{
public:
    void add(T1 a, T2 b)
    {
        cout << "void add(T1 a, T2 b)" << endl;
        cout << a + b << endl;
    }
};

template
< typename T1, typename T2 >
class Test < T1*, T2* > // 关于指针的特化实现
{
public:
    void add(T1* a, T2* b)
    {
        cout << "void add(T1* a, T2* b)" << endl;
        cout << *a + *b << endl;
    }
};

template
< typename T >
class Test < T, T > // 当 Test 类模板的两个类型参数完全相同时，使用这个实现
{
public:
    void add(T a, T b)
    {
        cout << "void add(T a, T b)" << endl;
        cout << a + b << endl;
    }
    void print()
    {
        cout << "class Test < T, T >" << endl;
    }
};

template
<  >
class Test < void*, void* > // 当 T1 == void* 并且 T2 == void* 时
{
public:
    void add(void* a, void* b)
    {
        cout << "void add(void* a, void* b)" << endl;
        cout << "Error to add void* param..." << endl;
    }
};

int main()
{  
    Test<int, float> t1;
    Test<long, long> t2;
    Test<void*, void*> t3;
    
    t1.add(1, 2.5);
    cout << endl;
    
    t2.add(5, 5);
    t2.print();
    cout << endl;
    
    t3.add(NULL, NULL);
    cout << endl;
    
    Test<int*, double*> t4;
    int a = 1;
    double b = 0.1;
    
    t4.add(&a, &b);
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
void add(T1 a, T2 b)
3.5

void add(T a, T b)
10
class Test < T, T >

void add(void* a, void* b)
Error to add void* param...

void add(T1* a, T2* b)
1.1

类模板特化注意事项：

• 特化只是模板的分开实现
  1. 本质上是同一个类模板
• 特化类模板的使用方式是统一的
  1. 必须显示指定每一个类型参数

2.3 特化的深度分析

类模板特化与重定义有区别吗？函数模板可以被特化吗？

重定义和特化的不同：

• 重定义
  1. 一个类模板和一个新类（或者两个类模板）
  2. 使用的时候需要考虑如何选择的问题
• 特化
  1. 以统一的方式使用内模板和特化类
  2. 编译器自动优先选择特化类

函数模板只支持类型参数完全特化：

示例——函数模板完全特化与函数重载：

#include <iostream>

using namespace std;

template
< typename T >
bool Equal(T a, T b)
{
    cout << "bool Equal(T a, T b)" << endl;
    
    return a == b;
}

template
< >
bool Equal<double>(double a, double b)
{
    const double delta = 0.00000000000001;
    double r = a - b;
    
    cout << "bool Equal<double>(double a, double b)" << endl;
    
    return (-delta < r) && (r < delta);
}

bool Equal(double a, double b)
{
    const double delta = 0.00000000000001;
    double r = a - b;
    
    cout << "bool Equal(double a, double b)" << endl;
    
    return (-delta < r) && (r < delta);
}

int main()
{  
    cout << Equal( 1, 1 ) << endl;
    cout << Equal( 0.001, 0.001 ) << endl;
    cout << Equal<>( 0.001, 0.001 ) << endl;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
bool Equal(T a, T b)
1
bool Equal(double a, double b)
1
bool Equal<double>(double a, double b)
1

工程中的建议：
当需要重载函数模板时，优先考虑使用模板特化；当模板特化无法满足需求，再使用函数重载！

3.小结

• 函数模板是泛型编程在C++中的应用方式之一
• 函数模板能够根据实参对参数类型进行推导
• 函数模板支持显示的指定参数类型
• 函数模板是C++中重要的代码复用方式
• 函数模板通过具体类型产生不同的函数
• 函数模板可以定义任意多个不同的类型参数
• 函数模板中的返回值类型必须显示指定
• 函数模板可以像普通函数一样被重载
• 泛型编程的思想可以应用于类
• 类模板以相同的方式处理不同类型的数据
• 类模板非常适用于编写数据结构相关的代码
• 类模板在使用时只能显示指定类型
• 类模板可以定义任意多个不同的类型参数
• 类模板可以被部分特化和完全特化
• 特化的本质是模板的分开实现
• 函数模板只支持完全特化
• 工程中使用模板特化代替类（函数）重定义