C++中的类模板

2017-10-14 本文已影响0人 nethanhan

类模块的概念和意义

在C++中有这样一些类：

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。

所以C++中的类模板是这样的：

以相同的方式处理不同类型的数据
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
语法：

template<typename T>
class Operator
{
public:
    T op(T a, T b);
};

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
用法：

Operator <int> op1;
Operator <string> op2;
int i = op1.op(1, 2);
string s = op2.op("D.T.", "Software");

类模板的进一步理解：

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
- 从类模板通过具体类型产生不同的类
- 在声明的地方对类模板代码本身进行编译
- 在使用的地方对参数替换后的代码进行编译

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

//重载string类减号类型操作符
string operator-(string& l, string& r)
{
    return "Minus";
}

//定义一个类模板
//在类模板中有4个操作
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;
    }
};

int main()
{
    //使用类模板创建一个对象，类型为int
    Operator<int> op1;
    //对象调用类的成员函数
    cout << op1.add(1, 2) << endl;
    
    //使用类模块创建一个对象，类型为string
    Operator<string> op2;
    //对象调用类的成员函数
    cout << op2.add("D.T.", "Software") << endl;
    cout << op2.minus("D.T", "Software") << endl;
    
    return 0;
}

输出结果为：

3
D.T.Software
Minus

类模板在工程中是怎么使用的呢？

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

这里做一个示例：

在头文件 Operator.h 中：

#ifndef _OPERATOR_H_
#define _OPERATOR_H_

//声明类模块
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);
};
//实现类模块中各个成员函数的逻辑
template < typename T >
T Operator<T>::add(T a, T b)
{
    return a + b;
}
//实现类模块中各个成员函数的逻辑
template < typename T >
T Operator<T>::minus(T a, T b)
{
    return a - b;
}
//实现类模块中各个成员函数的逻辑
template < typename T >
T Operator<T>::multiply(T a, T b)
{
    return a * b;
}
//实现类模块中各个成员函数的逻辑
template < typename T >
T Operator<T>::divide(T a, T b)
{
    return a / b;
}

#endif

调用使用时：

#include <iostream>
#include <string>
#include "Operator.h"

using namespace std;

int main()
{
    //使用类模块创建类对象
    Operator<int> op1;
    
    //类对象使用各个成员函数
    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;
}

输出结果为：

多参数类模块

在类模块中可以定义任意多个不同的类型参数，比如这样：

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

//使用
Test<int, float> t;

类模块的特化

这里再学习一个类模块的知识，就是它可以被 特化 ：

指定类模块的特定实现
部分类型参数必须显示指定
根据类型参数分开实现类模块
语法：

template
<typename T1, typename T2>
class Test
{
};

//特化
template
<typename T>
class Test <T, T>
{
};

类模块可以被 特化 ,当然对于特化还有特化类型：

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

template
<typename T1, typename T2>
class Test
{
};

//完全特化
template
<  >
class Test < int, int >
{
};

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template
< typename T1, typename T2 >
//正常的类模块
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 >
// 关于指针的特化实现
//部分特化：用指针类型约束类型参数
class Test < T1*, T2* >
{
public:
    void add(T1* a, T2* b)
    {
        cout << "void add(T1* a, T2* b)" << endl;
        cout << *a + *b << endl;
    }
};

template
< typename T >
// 当 Test 类模板的两个类型参数完全相同时，使用这个实现
//部分特化：用参数类型完全相等的规则约束
class Test < T, T >
{
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
<  >
// 当 T1 == void* 并且 T2 == void* 时
//完全特化 完全显示指定类型参数
class Test < void*, void* >
{
public:
    void add(void* a, void* b)
    {
        cout << "void add(void* a, void* b)" << endl;
        cout << "Error to add void* param..." << endl;
    }
};

int main()
{  
    //2个类型不同，调用普通类模块
    Test<int, float> t1;
    //2个类型相同，调用用参数类型完全相等的规则约束的类模块
    Test<long, long> t2;
    //2个类型完全相等，并且符合已经指定参数类型的类模板
    Test<void*, void*> t3;
    
    t1.add(1, 2.5);
    
    t2.add(5, 5);
    t2.print();
    
    t3.add(NULL, NULL);
    //2个参数都为指针，且类型不同
    //调用用指针类型约束类型参数的类模板
    Test<int*, double*> t4;
    int a = 1;
    double b = 0.1;
    
    t4.add(&a, &b);
    
    return 0;
}

输出结果为：

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

使用类模块特化也要注意一些地方：

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

类模块特化的进一步理解

其实有没有发现特化和重定义有点相似，但也有些区别：

重定义
- 一个类模块和一个新类（或者两个类模块）
- 使用的时候需要考虑如何选择的问题
特化
- 以统一的方式使用类模块和特化类
- 编译器自动优先选择特化类

那既然类模块可以特化，函数模块可不可以特化呢？

函数模板只支持类型参数完全特化
使用方法：

template
<typename T>
//函数模块定义
bool Equal(T a, T b)
{
    return a == b;
}

template
< >
//函数模块完全特化
bool Equal<void *>(void* a, void* b)
{
    return a == b;
}

这里举一个例子：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

//普通函数模块
template
< typename T >
bool Equal(T a, T b)
{
    cout << "bool Equal(T a, T b)" << endl;
    
    return a == b;
}

//完全特化后的函数模块
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);
}

//普通函数
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()
{  
    //调用函数
    cout << Equal( 1, 1 ) << endl;
    //调用完全特化后的函数模块
    cout << Equal<>( 0.001, 0.001 ) << endl;
    
    return 0;
}

输出结果为：

bool Equal(T a, T b)
1
bool Equal<double>(double a, double b)
1

这里要注意：

当需要重载函数模块时，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！

小结

泛型编程的思想应用于类的形式就是类模块
类模板以相同的方式处理不同类型的数据
类模块非常适用于编写数据结构相关的代码
类模块在使用时只能显示指定类型
类模块可以定义任意多个不同的类型参数
类模块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

C++中的类模板

类模块的概念和意义

多参数类模块

类模块的特化

类模块特化的进一步理解

小结

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