C++解析(26)：函數模板與類模板
阿新 • • 發佈：2018-12-09
null 並且 http 外部 asi 分類 工程 顯示調用 完全
0.目錄
1.函數模板
- 1.1 函數模板與泛型編程
- 1.2 多參數函數模板
- 1.3 函數重載遇上函數模板
2.類模板
- 2.1 類模板
- 2.2 多參數類模板與特化
- 2.3 特化的深度分析
3.小結
1.函數模板
1.1 函數模板與泛型編程
C++中有幾種交換變量的方法？
交換變量的方法——定義宏代碼塊 vs 定義函數：
- 定義宏代碼塊
- 優點：代碼復用，適合所有的類型
- 缺點：編譯器不知道宏的存在，缺少類型檢查
- 定義函數
- 優點：真正的函數調用，編譯器對類型進行檢查
- 缺點：根據類型重復定義函數，無法代碼復用
C++中有沒有解決方案集合兩種方法的優點？
泛型編程的概念——不考慮具體數據類型的編程方式
函數模板：
- 一種特殊的函數可用不同類型進行調用
- 看起來和普通函數很相似，區別是類型可被參數化
函數模板的語法規則：
- template關鍵字用於聲明開始進行泛型編程
- typename關鍵字用於聲明泛型類型
函數模板的使用：
- 自動類型推導調用
- 具體類型顯示調用
示例——使用函數模板：
#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; }
運行結果為：
[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,函數模板深入理解：
- 編譯器從函數模板通過具體類型產生不同的函數
- 編譯器會對函數模板進行兩次編譯
- 對模板代碼本身進行編譯
- 對參數替換後的代碼進行編譯
註意事項：
- 函數模板本身不允許隱式類型轉換
- 自動推導類型時，必須嚴格匹配
- 顯示類型指定時，能夠進行隱式類型轉換
示例——編譯器從函數模板通過具體類型產生不同的函數：
#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; // 編譯器自動推導 T 為 int
FuncD* pd = Swap; // 編譯器自動推導 T 為 double
cout << "pi = " << reinterpret_cast<void*>(pi) << endl;
cout << "pd = " << reinterpret_cast<void*>(pd) << endl;
return 0;
}運行結果為：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
pi = 0x40091e
pd = 0x40094a可以看到，編譯器通過函數模板產生了兩個地址不同的實實在在的函數！
1.2 多參數函數模板
多參數函數模板——函數模板可以定義任意多個不同的類型參數：
對於多參數函數模板：
- 無法自動推導返回值類型
- 可以從左向右部分指定類型參數
示例——多參數函數模板：
#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;
}運行結果為：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
r1 = 1
r2 = 1.3
r3 = 1.31.3 函數重載遇上函數模板
當函數重載遇上函數模板會發生什麽？
函數模板可以像普通函數一樣被重載：
- C++編譯器優先考慮普通函數
- 如果函數模板可以產生一個更好的匹配，那麽選擇模板
- 可以通過空模板實參列表限定編譯器只匹配模板
示例——重載函數模板：
#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; // 普通函數 Max(int, int)
cout << Max<>(a, b) << endl; // 函數模板 Max<int>(int, int)
cout << endl;
cout << Max(3.0, 4.0) << endl; // 函數模板 Max<double>(double, double)
cout << Max(5.0, 6.0, 7.0) << endl; // 函數模板 Max<double>(double, double, double)
cout << endl;
cout << Max(‘a‘, 100) << endl; // 普通函數 Max(int, int)
return 0;
}運行結果為：
[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)
1002.類模板
2.1 類模板
在C++中是否能夠將泛型的思想應用於類？
類模板：
- 一些類主要用於存儲和組織數據元素
- 類中數據組織的方式和數據元素的具體類型無關
- 如：數組類，鏈表類，Stack類，Queue類，等
C++中將模板的思想應用於類，使得類的實現不關註數據元素的具體類型，而只關註類所需要實現的功能。
C++中的類模板：
- 以相同的方式處理不同的類型
- 在類聲明前使用template進行標識
- <typename T>用於說明類中使用的泛指類型 T
類模板的應用：
- 只能顯示指定具體類型，無法自動推導
- 使用具體類型<Type>定義對象
- 聲明的泛指類型 T 可以出現在類模板的任意地方
- 編譯器對類模板的處理方式和函數模板相同
- 從類模板通過具體類型產生不同的類
- 在聲明的地方對類模板代碼本身進行編譯
- 在使用的地方對參數替換後的代碼進行編譯
示例——類模板：
#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;
}運行結果為：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
3
HelloWorld
Minus類模板的工程應用：
- 類模板必須在頭文件中定義
- 類模板不能分開實現在不同的文件中
- 類模板外部定義的成員函數需要加上模板<>聲明
示例——模板類的工程應用：
// 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;
}運行結果為：
[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out
3
20
-1
22.2 多參數類模板與特化
類模板可以定義任意多個不同的類型參數：
類模板可以被特化：
- 指定類模板的特定實現
- 部分類型參數必須顯示指定
- 根據類型參數分開實現類模板
類模板的特化類型：
- 部分特化——用特定規則約束類型參數
- 完全特化——完全顯示指定類型參數
示例——類模板的特化：
#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* > // 關於指針的特化實現
{
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 > // 當 Test 類模板的兩個類型參數完全相同時，使用這個實現
{
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* > // 當 T1 == void* 並且 T2 == void* 時
{
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;
}運行結果為：
[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類模板特化註意事項：
- 特化只是模板的分開實現
- 本質上是同一個類模板
- 特化類模板的使用方式是統一的
- 必須顯示指定每一個類型參數
2.3 特化的深度分析
類模板特化與重定義有區別嗎？函數模板可以被特化嗎？
重定義和特化的不同：
- 重定義
- 一個類模板和一個新類（或者兩個類模板）
- 使用的時候需要考慮如何選擇的問題
- 特化
- 以統一的方式使用內模板和特化類
- 編譯器自動優先選擇特化類
函數模板只支持類型參數完全特化：
示例——函數模板完全特化與函數重載：
#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;
}運行結果為：
[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工程中的建議：
當需要重載函數模板時，優先考慮使用模板特化；當模板特化無法滿足需求，再使用函數重載！
3.小結
- 函數模板是泛型編程在C++中的應用方式之一
- 函數模板能夠根據實參對參數類型進行推導
- 函數模板支持顯示的指定參數類型
- 函數模板是C++中重要的代碼復用方式
- 函數模板通過具體類型產生不同的函數
- 函數模板可以定義任意多個不同的類型參數
- 函數模板中的返回值類型必須顯示指定
- 函數模板可以像普通函數一樣被重載
- 泛型編程的思想可以應用於類
- 類模板以相同的方式處理不同類型的數據
- 類模板非常適用於編寫數據結構相關的代碼
- 類模板在使用時只能顯示指定類型
- 類模板可以定義任意多個不同的類型參數
- 類模板可以被部分特化和完全特化
- 特化的本質是模板的分開實現
- 函數模板只支持完全特化
- 工程中使用模板特化代替類（函數）重定義
C++解析(26)：函數模板與類模板