C++ 模板常見特性（函式模板、類模板）
阿新 • • 發佈：2020-01-09
背景
C++ 是很強大，有各種特性來提高程式碼的可重用性，有助於減少開發的程式碼量和工作量。
C++ 提高程式碼的可重用性主要有兩方面：
- 繼承
- 模板
繼承的特性我已在前面篇章寫過了，本篇主要是說明「模板」的特性。
使用「模板」的特性設計，實際上也就是「泛型」程式設計。
函式模板
01 變數交換函式模板
假設我們設計一個交換兩個整型變數的值的函式，程式碼如下：
// 交換兩個整型變數的值的Swap函式：
void Swap(int & x,int & y)
{
int tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}如果是浮點型別的變數的值交換，則替換 int 型別為 double 即可，程式碼如下：
// 交換兩個double型變數的值的Swap函式:
void Swap(double & x,double & y)
{
double tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}那如果是其他變數型別的值交換，那不是每次都要重新寫一次 Swap 函式？是不是很繁瑣？且程式碼後面會越來越冗餘。
能否只寫一個 Swap 函式，就能交換各種型別的變數？
答案是肯定有的，就是用「函式模板」來解決，「函式模板」的形式：
template <class 型別引數1，class 型別引數2，...> 返回值型別 模板名 (形參表) { 函式體 };
具體 Swap 「函式模板」程式碼如下：
template 就是模板定義的關鍵詞，T 代表的是任意變數的型別。
template <class T>
void Swap(T & x,T & y)
{
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}那麼定義好「函式模板」後，在編譯的時候，編譯器會根據傳入 Swap 函式的引數變數型別，自動生成對應引數變數型別的 Swap 函式：
int main() { int n = 1,m = 2; Swap(n,m); //編譯器自動生成 void Swap(int & ,int & )函式 double f = 1.2,g = 2.3; Swap(f,g); //編譯器自動生成 void Swap(double & ,double & )函式 return 0; }
上面的例項化函式模板的例子，是讓編譯器自己來判斷傳入的變數型別，那麼我們也可以自己指定函式模板的變數型別，具體程式碼如下：
int main()
{
int n = 1,m = 2;
Swap<int>(n,m); // 指定模板函式的變數型別為int
double f = 1.2,g = 2.3;
Swap<double>(f,g); // 指定模板函式的變數型別為double
return 0;
}02 查詢陣列最大值函式模板
在舉一個例子，下面的 MaxElement 函式定義成了函式模板，這樣不管是 int、double、char 等型別的陣列，都可以使用該函式來查陣列最大的值，程式碼如下：
// 求陣列最大元素的MaxElement函式模板
template <class T>
T MaxElement(T a[], int size) // size是陣列元素個數
{
T tmpMax = a[0];
for(int i = 1;i < size;++i)
{
if(tmpMax < a[i])
{
tmpMax = a[i];
}
}
return tmpMax;
}03 多個型別引數模板函式
函式模板中，可以不止一個型別的引數：
template <class T1, class T2>
T2 MyFun(T1 arg1, T2 arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
return arg2;
}T1 是傳入的第一種任意變數型別，T2 是傳入的第二種任意變數型別。
04 函式模板的過載
函式模板可以過載，只要它們的形參表或型別引數表不同即可。
// 模板函式 1
template<class T1, class T2>
void print(T1 arg1, T2 arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}
// 模板函式 2
template<class T>
void print(T arg1, T arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}
// 模板函式 3
template<class T,class T2>
void print(T arg1, T arg2)
{
cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}上面都是 print(引數1, 引數2) 模板函式的過載，因為「形參表」或「型別引數表」名字不同。
05 函式模板和函式的次序
在有多個函式和函式模板名字相同的情況下，編譯器如下規則處理一條函式呼叫語句：
- 先找引數完全匹配的普通函式（非由模板例項化而得的函式）；
- 再找引數完全匹配的模板函式；
- 再找實引數經過自動型別轉換後能夠匹配的普通函式；
- 上面的都找不到，則報錯。
程式碼例子如下：
// 模板函式 - 1個引數型別
template <class T>
T Max(T a, T b)
{
cout << "TemplateMax" <<endl; return 0;
}
// 模板函式 - 2個引數型別
template <class T, class T2>
T Max(T a, T2 b)
{
cout << "TemplateMax2" <<endl; return 0;
}
// 普通函式
double Max(double a, double b)
{
cout << "MyMax" << endl;
return 0;
}
int main()
{
int i=4, j=5;
// 輸出MyMax - 匹配普通函式
Max( 1.2, 3.4 );
//輸出TemplateMax - 匹配引數一樣的模板函
Max( i, j );
//輸出TemplateMax2 - 匹配引數型別不同的模板函式
Max( 1.2, 3 );
return 0;
}匹配模板函式時，當模板函式只有一個引數型別時，傳入了不同的引數型別，是不進行型別自動轉換，具體例子如下：
// 模板函式 - 1個引數型別
template<class T>
T myFunction( T arg1, T arg2)
{
cout<<arg1<<" "<<arg2<<"\n";
return arg1;
}
...
// OK ：替換 T 為 int 型別
myFunction( 5, 7);
// OK ：替換 T 為 double 型別
myFunction(5.8, 8.4);
// error ：沒有匹配到myFunction(int, double)函式
myFunction(5, 8.4); 類模板
01 類模板的定義
為了多快好省地定義出一批相似的類,可以定義「類模板」，然後由類模板生成不同的類。
類模板的定義形式如下：
template <class 型別引數1，class 型別引數2，...> //型別引數表
class 類模板名
{
成員函式和成員變數
};用類模板定義物件的寫法：
類模板名<真實型別引數表> 物件名(建構函式實參表);02 Pair類模板例子
接下來，用 Pair 類用類模板的方式的實現，Pair 是一對的意思，也就是實現一個鍵值對（key-value）的關係的類。
// 類模板
template <class T1, class T2>
class Pair
{
public:
Pair(T1 k, T2 v):m_key(k),m_value(v) {};
bool operator < (const Pair<T1,T2> & p) const;
private:
T1 m_key;
T2 m_value;
};
// 類模板裡成員函式的寫法
template <class T1, class T2>
bool Pair<T1,T2>::operator < (const Pair<T1,T2> &p) const
{
return m_value < p.m_value;
}
int main()
{
Pair<string,int> Astudent("Jay",20);
Pair<string,int> Bstudent("Tom",21);
cout << (Astudent < Bstudent) << endl;
return 0;
}輸出結果：
1需要注意的是，同一個類模板的兩個模板類是不相容的：
Pair<string,int> *p;
Pair<string,double> a;
p = & a; //錯誤！！03 函式模板作為類模板成員
當函式模板作為類模板的成員函式時，是可以單獨寫成函式模板的形式，成員函式模板在使用的時候，編譯器才會把函式模板根據傳入的函式引數進行例項化，例子如下：
// 類模板
template <class T>
class A
{
public:
template<class T2>
void Func(T2 t) { cout << t; } // 成員函式模板
};
int main()
{
A<int> a;
a.Func('K'); //成員函式模板 Func被例項化
a.Func("hello"); //成員函式模板 Func再次被例項化
return 0;
} 04 類模板與非型別引數
類模板的“<型別引數表>”中可以出現非型別引數：
template <class T, int size>
class CArray
{
public:
void Print( )
{
for( int i = 0;i < size; ++i)
cout << array[i] << endl;
}
private:
T array[size];
};
CArray<double,40> a2;
CArray<int,50> a3; //a2和a3屬於不同的類類模板與派生
01 類模板從類模板派生
上圖的程式碼例子如下：
// 基類 - 類模板
template <class T1,class T2>
class A
{
T1 v1; T2 v2;
};
// 派生類 - 類模板
template <class T1,class T2>
class B:public A<T2,T1>
{
T1 v3; T2 v4;
};
// 派生類 - 類模板
template <class T>
class C:public B<T,T>
{
T v5;
};
int main()
{
B<int,double> obj1;
C<int> obj2;
return 0;
}02 類模板從模板類派生
上圖的程式碼例子如下：
template <class T1,class T2>
class A
{
T1 v1; T2 v2;
};
template <class T>
class B:public A<int,double> // A<int,double> 模板類
{
T v;
};
int main()
{
//自動生成兩個模板類 ：A<int,double> 和 B<char>
B<char> obj1;
return 0;
}03 類模板從普通類派生
上圖的程式碼例子如下：
// 基類 - 普通類
class A
{
int v1;
};
// 派生類 - 類模板
template <class T>
class B:public A // 所有從B例項化得到的類 ，都以A為基類
{
T v;
};
int main()
{
B<char> obj1;
return 0;
}04 普通類從模板類派生
上圖的程式碼例子如下：
template <class T>
class A
{
T v1;
};
class B:public A<int>
{
double v;
};
int main()
{
B obj1;
return 0;
}類模板與友元
01 函式、類、類的成員函式作為類模板的友元
程式碼例子如下：
// 普通函式
void Func1() { }
// 普通類
class A { };
// 普通類
class B
{
public:
void Func() { } // 成員函式
};
// 類模板
template <class T>
class Tmp
{
friend void Func1(); // 友元函式
friend class A; // 友元類
friend void B::Func(); // 友元類的成員函式
}; // 任何從 Tmp 例項化來的類 ，都有以上三個友元02 函式模板作為類模板的友元
// 類模板
template <class T1,class T2>
class Pair
{
private:
T1 key; //關鍵字
T2 value; //值
public:
Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };
// 友元函式模板
template <class T3,class T4>
friend ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p);
};
// 函式模板
template <class T3,class T4>
ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p)
{
o << "(" << p.key << "," << p.value << ")" ;
return o;
}
int main()
{
Pair<string,int> student("Tom",29);
Pair<int,double> obj(12,3.14);
cout << student << " " << obj;
return 0;
}輸出結果：
(Tom,29) (12,3.14)03 函式模板作為類的友元
// 普通類
class A
{
private:
int v;
public:
A(int n):v(n) { }
template <class T>
friend void Print(const T & p); // 函式模板
};
// 函式模板
template <class T>
void Print(const T & p)
{
cout << p.v;
}
int main()
{
A a(4);
Print(a);
return 0;
}輸出結果：
404 類模板作為類模板的友元
// 類模板
template <class T>
class B
{
private:
T v;
public:
B(T n):v(n) { }
template <class T2>
friend class A; // 友元類模板
};
// 類模板
template <class T>
class A
{
public:
void Func( )
{
B<int> o(10); // 例項化B模板類
cout << o.v << endl;
}
};
int main()
{
A<double> a;
a.Func ();
return 0;
}輸出結果：
10類模板與靜態成員變數
類模板中可以定義靜態成員，那麼從該類模板例項化得到的所有類，都包含同樣的靜態成員。
template <class T>
class A
{
private:
static int count; // 靜態成員
public:
A() { count ++; }
~A() { count -- ; };
A( A & ) { count ++ ; }
static void PrintCount() { cout << count << endl; } // 靜態函式
};
template<> int A<int>::count = 0; // 初始化
template<> int A<double>::count = 0; // 初始化
int main()
{
A<int> ia;
A<double> da; // da和ia不是相同模板類
ia.PrintCount();
da.PrintCount();
return 0;
}輸出：
1
1上面的程式碼需要注意的點：
- 類模板裡的靜態成員初始化的時候，最前面要加
template<>。 - ia 和 da 物件是不同的模板類，因為型別引數是不一致，所以也就是不同的模板類。