C++模板

　　模板是C++支持參數(shù)化多態(tài)的工具，使用模板可以使用戶為類或者函數(shù)聲明一種一般模式，使得類中的某些數(shù)據(jù)成員或者成員函數(shù)的參數(shù)、返回值取得任意類型。

　　模板是一種對(duì)類型進(jìn)行參數(shù)化的工具；

　　通常有兩種形式：函數(shù)模板和類模板；

　　函數(shù)模板針對(duì)僅參數(shù)類型不同的函數(shù)；

　　類模板針對(duì)僅數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)類型不同的類。

　　使用模板的目的就是能夠讓程序員編寫與類型無(wú)關(guān)的代碼。比如編寫了一個(gè)交換兩個(gè)整型int 類型的swap函數(shù)，這個(gè)函數(shù)就只能實(shí)現(xiàn)int 型，對(duì)double，字符這些類型無(wú)法實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)這些類型的交換就要重新編寫另一個(gè)swap函數(shù)。使用模板的目的就是要讓這程序的實(shí)現(xiàn)與類型無(wú)關(guān)，比如一個(gè)swap模板函數(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)int 型，又可以實(shí)現(xiàn)double型的交換。模板可以應(yīng)用于函數(shù)和類。下面分別介紹。

　　注意：模板的聲明或定義只能在全局，命名空間或類范圍內(nèi)進(jìn)行。即不能在局部范圍，函數(shù)內(nèi)進(jìn)行，比如不能在main函數(shù)中聲明或定義一個(gè)模板。

 一、函數(shù)模板通式

1、函數(shù)模板的格式：

　　　　template <class形參名，class形參名，......> 返回類型 函數(shù)名(參數(shù)列表)

　　　{

　　　　　　函數(shù)體

　　　}

　　其中template和class是關(guān)見字，class可以用typename 關(guān)見字代替，在這里typename 和class沒區(qū)別，<>括號(hào)中的參數(shù)叫模板形參，模板形參和函數(shù)形參很相像，模板形參不能為空。一但聲明了模板函數(shù)就可以用模板函數(shù)的形參名聲明類中的成員變量和成員函數(shù)，即可以在該函數(shù)中使用內(nèi)置類型的地方都可以使用模板形參名。模板形參需要調(diào)用該模板函數(shù)時(shí)提供的模板實(shí)參來初始化模板形參，一旦編譯器確定了實(shí)際的模板實(shí)參類型就稱他實(shí)例化了函數(shù)模板的一個(gè)實(shí)例。比如swap的模板函數(shù)形式為

　　　　　　template <class T> void swap(T& a, T& b){}，

當(dāng)調(diào)用這樣的模板函數(shù)時(shí)類型T就會(huì)被被調(diào)用時(shí)的類型所代替，比如swap(a,b)其中a和b是int 型，這時(shí)模板函數(shù)swap中的形參T就會(huì)被int 所代替，模板函數(shù)就變?yōu)?strong>swap(int &a, int &b)。而當(dāng)swap(c,d)其中c和d是double類型時(shí)，模板函數(shù)會(huì)被替換為swap(double &a, double &b)，這樣就實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與類型無(wú)關(guān)的代碼。

　　2、注意：對(duì)于函數(shù)模板而言不存在 h(int,int) 這樣的調(diào)用，不能在函數(shù)調(diào)用的參數(shù)中指定模板形參的類型，對(duì)函數(shù)模板的調(diào)用應(yīng)使用實(shí)參推演來進(jìn)行，即只能進(jìn)行 h(2,3) 這樣的調(diào)用，或者int a, b; h(a,b)。

　　函數(shù)模板的示例演示將在下文中涉及！

二、類模板通式

　　1、類模板的格式為：

　　　　template<class 形參名，class形參名，…>  class 類名

　　　　{ ... };

　　類模板和函數(shù)模板都是以template開始后接模板形參列表組成，模板形參不能為空，一但聲明了類模板就可以用類模板的形參名聲明類中的成員變量和成員函數(shù)，即可以在類中使用內(nèi)置類型的地方都可以使用模板形參名來聲明。比如

　　　　template<class T> class A{public: T a; T b; T hy(T c, T &d);};

在類A中聲明了兩個(gè)類型為T的成員變量a和b，還聲明了一個(gè)返回類型為T帶兩個(gè)參數(shù)類型為T的函數(shù)hy。

　　2、類模板對(duì)象的創(chuàng)建：比如一個(gè)模板類A，則使用類模板創(chuàng)建對(duì)象的方法為A<int> m;在類A后面跟上一個(gè)<>尖括號(hào)并在里面填上相應(yīng)的類型，這樣的話類A中凡是用到模板形參的地方都會(huì)被int 所代替。當(dāng)類模板有兩個(gè)模板形參時(shí)創(chuàng)建對(duì)象的方法為A<int, double> m;類型之間用逗號(hào)隔開。

　　3、對(duì)于類模板，模板形參的類型必須在類名后的尖括號(hào)中明確指定。比如A<2> m;用這種方法把模板形參設(shè)置為int是錯(cuò)誤的（編譯錯(cuò)誤：error C2079: 'a' uses undefined class 'A<int>'），類模板形參不存在實(shí)參推演的問題。也就是說不能把整型值2推演為int 型傳遞給模板形參。要把類模板形參調(diào)置為int 型必須這樣指定A<int> m。

　　4、在類模板外部定義成員函數(shù)的方法為：

　　　　template<模板形參列表> 函數(shù)返回類型 類名<模板形參名>::函數(shù)名(參數(shù)列表){函數(shù)體}，

比如有兩個(gè)模板形參T1，T2的類A中含有一個(gè)void h()函數(shù)，則定義該函數(shù)的語(yǔ)法為：

　　　　template<class T1,class T2> void A<T1,T2>::h(){}。

注意：當(dāng)在類外面定義類的成員時(shí)template后面的模板形參應(yīng)與要定義的類的模板形參一致。

　　5、再次提醒注意：模板的聲明或定義只能在全局，命名空間或類范圍內(nèi)進(jìn)行。即不能在局部范圍，函數(shù)內(nèi)進(jìn)行，比如不能在main函數(shù)中聲明或定義一個(gè)模板。

三、模板的形參

有三種類型的模板形參：類型形參，非類型形參和模板形參。

　　1、類型形參

　　　　1.1 、類型模板形參：類型形參由關(guān)見字class或typename后接說明符構(gòu)成，如template<class T> void h(T a){};其中T就是一個(gè)類型形參，類型形參的名字由用戶自已確定。模板形參表示的是一個(gè)未知的類型。模板類型形參可作為類型說明符用在模板中的任何地方，與內(nèi)置類型說明符或類類型說明符的使用方式完全相同，即可以用于指定返回類型，變量聲明等。

　　　　作者原版：1.2、不能為同一個(gè)模板類型形參指定兩種不同的類型，比如template<class T>void h(T a, T b){}，語(yǔ)句調(diào)用h(2, 3.2)將出錯(cuò)，因?yàn)樵撜Z(yǔ)句給同一模板形參T指定了兩種類型，第一個(gè)實(shí)參2把模板形參T指定為int，而第二個(gè)實(shí)參3.2把模板形參指定為double，兩種類型的形參不一致，會(huì)出錯(cuò)。（針對(duì)函數(shù)模板）

　　　　作者原版：1.2針對(duì)函數(shù)模板是正確的，但是忽略了類模板。下面將對(duì)類模板的情況進(jìn)行補(bǔ)充。

　　　　本人添加1.2補(bǔ)充版（針對(duì)于類模板）、當(dāng)我們聲明類對(duì)象為：A<int> a，比如template<class T>T g(T a, T b){}，語(yǔ)句調(diào)用a.g(2, 3.2)在編譯時(shí)不會(huì)出錯(cuò)，但會(huì)有警告，因?yàn)樵诼暶黝悓?duì)象的時(shí)候已經(jīng)將T轉(zhuǎn)換為int類型，而第二個(gè)實(shí)參3.2把模板形參指定為double，在運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)3.2進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換為3。當(dāng)我們聲明類的對(duì)象為：A<double> a,此時(shí)就不會(huì)有上述的警告，因?yàn)閺?strong>int到double是自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換。

演示示例１：

　　TemplateDemo.h

 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_HXX 2 #define TEMPLATE_DEMO_HXX 3  4 template<class T> class A{ 5     public: 6         T g(T a,T b); 7         A(); 8 }; 9 10 #endif
　　TemplateDemo.cpp
 1 #include<iostream.h> 2 #include "TemplateDemo.h" 3  4 template<class T> A<T>::A(){} 5  6 template<class T> T A<T>::g(T a,T b){ 7     return a+b; 8 } 9 10 void main(){11     A<int> a;12     cout<<a.g(2,3.2)<<endl;13 }
　　編譯結(jié)果：
1 --------------------Configuration: TemplateDemo - Win32 Debug--------------------2 Compiling...3 TemplateDemo.cpp4 G:/C++/CDaima/TemplateDemo/TemplateDemo.cpp(12) : warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'int', possible loss of data5 6 TemplateDemo.obj - 0 error(s), 1 warning(s)
　　運(yùn)行結(jié)果：　　　　　　5　　
　　我們從上面的測(cè)試示例中可以看出，并非作者原作中的那么嚴(yán)密！此處僅是本人跟人測(cè)試結(jié)果！請(qǐng)大家本著實(shí)事求是的態(tài)度，自行驗(yàn)證！
 
　　2、非類型形參
　　　　2.1 、非類型模板形參：模板的非類型形參也就是內(nèi)置類型形參，如template<class T, int a> class B{};其中int a就是非類型的模板形參。
　　　　2.2、 非類型形參在模板定義的內(nèi)部是常量值，也就是說非類型形參在模板的內(nèi)部是常量。
　　　　2.3、 非類型模板的形參只能是整型，指針和引用，像double，String, String **這樣的類型是不允許的。但是double &，double *，對(duì)象的引用或指針是正確的。
　　　　2.4、 調(diào)用非類型模板形參的實(shí)參必須是一個(gè)常量表達(dá)式，即他必須能在編譯時(shí)計(jì)算出結(jié)果。
　　　　2.5 、注意：任何局部對(duì)象，局部變量，局部對(duì)象的地址，局部變量的地址都不是一個(gè)常量表達(dá)式，都不能用作非類型模板形參的實(shí)參。全局指針類型，全局變量，全局對(duì)象也不是一個(gè)常量表達(dá)式，不能用作非類型模板形參的實(shí)參。
　　　　2.6、 全局變量的地址或引用，全局對(duì)象的地址或引用const類型變量是常量表達(dá)式，可以用作非類型模板形參的實(shí)參。
　　　　2.7 、sizeof表達(dá)式的結(jié)果是一個(gè)常量表達(dá)式，也能用作非類型模板形參的實(shí)參。
　　　　2.8 、當(dāng)模板的形參是整型時(shí)調(diào)用該模板時(shí)的實(shí)參必須是整型的，且在編譯期間是常量，比如template <class T, int a> class A{};如果有int b，這時(shí)A<int, b> m;將出錯(cuò)，因?yàn)?strong>b不是常量，如果const int b，這時(shí)A<int, b> m;就是正確的，因?yàn)檫@時(shí)b是常量。
　　　　2.9 、非類型形參一般不應(yīng)用于函數(shù)模板中，比如有函數(shù)模板template<class T, int a> void h(T b){}，若使用h(2)調(diào)用會(huì)出現(xiàn)無(wú)法為非類型形參a推演出參數(shù)的錯(cuò)誤，對(duì)這種模板函數(shù)可以用顯示模板實(shí)參來解決，如用h<int, 3>(2)這樣就把非類型形參a設(shè)置為整數(shù)3。顯示模板實(shí)參在后面介紹。
　　　　2.10、 非類型模板形參的形參和實(shí)參間所允許的轉(zhuǎn)換　　　　　　1、允許從數(shù)組到指針，從函數(shù)到指針的轉(zhuǎn)換。如：template <int *a> class A{}; int b[1]; A<b> m;即數(shù)組到指針的轉(zhuǎn)換　　　　　　2、const修飾符的轉(zhuǎn)換。如：template<const int *a> class A{}; int b; A<&b> m;   即從int *到const int *的轉(zhuǎn)換。　　　　　　3、提升轉(zhuǎn)換。如：template<int a> class A{}; const short b=2; A<b> m; 即從short到int 的提升轉(zhuǎn)換　　　　　　4、整值轉(zhuǎn)換。如：template<unsigned int a> class A{};   A<3> m; 即從int 到unsigned int的轉(zhuǎn)換?！　　　　　?、常規(guī)轉(zhuǎn)換。
非類型形參演示示例1：
　　由用戶自己親自指定棧的大小，并實(shí)現(xiàn)棧的相關(guān)操作。
　　TemplateDemo.h
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_HXX 2 #define TEMPLATE_DEMO_HXX 3  4 template<class T,int MAXSIZE> class Stack{//MAXSIZE由用戶創(chuàng)建對(duì)象時(shí)自行設(shè)置 5     PRivate: 6         T elems[MAXSIZE];    // 包含元素的數(shù)組 7         int numElems;    // 元素的當(dāng)前總個(gè)數(shù) 8     public: 9         Stack();    //構(gòu)造函數(shù)10         void push(T const&);    //壓入元素11         void pop();        //彈出元素12         T top() const;    //返回棧頂元素13         bool empty() const{     // 返回棧是否為空14             return numElems == 0;15         }16         bool full() const{    // 返回棧是否已滿17             return numElems == MAXSIZE;18         }19 };20 21 template <class T,int MAXSIZE> 22 Stack<T,MAXSIZE>::Stack():numElems(0){     // 初始時(shí)棧不含元素23     // 不做任何事情24 }25 26 template <class T,int MAXSIZE>27 void Stack<T, MAXSIZE>::push(T const& elem){28     if(numElems == MAXSIZE){29         throw std::out_of_range("Stack<>::push(): stack is full");30     }31     elems[numElems] = elem;   // 附加元素32     ++numElems;               // 增加元素的個(gè)數(shù)33 }34 35 template<class T,int MAXSIZE>36 void Stack<T,MAXSIZE>::pop(){37     if (numElems <= 0) {38         throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");39     }40     --numElems;               // 減少元素的個(gè)數(shù)41 }42 43 template <class T,int MAXSIZE>44 T Stack<T,MAXSIZE>::top()const{45     if (numElems <= 0) {46         throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");47     }48     return elems[numElems-1];  // 返回最后一個(gè)元素49 }50 51 #endif
　　TemplateDemo.cpp
 1 #include<iostream.h> 2 #include <iostream> 3 #include <string> 4 #include <cstdlib> 5 #include "TemplateDemo.h" 6  7 int main(){ 8     try { 9         Stack<int,20>  int20Stack;  // 可以存儲(chǔ)20個(gè)int元素的棧10         Stack<int,40>  int40Stack;  // 可以存儲(chǔ)40個(gè)int元素的棧11         Stack<std::string,40> stringStack; // 可存儲(chǔ)40個(gè)string元素的棧12 13         // 使用可存儲(chǔ)20個(gè)int元素的棧14         int20Stack.push(7);15         std::cout << int20Stack.top() << std::endl;    //716         int20Stack.pop();17 18         // 使用可存儲(chǔ)40個(gè)string的棧19         stringStack.push("hello");20         std::cout << stringStack.top() << std::endl;    //hello21         stringStack.pop();    22         stringStack.pop();    //Exception: Stack<>::pop<>: empty stack23         return 0;24     }25     catch (std::exception const& ex) {26         std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;27         return EXIT_FAILURE;  // 退出程序且有ERROR標(biāo)記28     }29 }
　　運(yùn)行結(jié)果：
　　　　
 非類型形參演示示例2：
　　TemplateDemo01.h
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_O1 2 #define TEMPLATE_DEMO_01 3  4 template<typename T> class CompareDemo{ 5     public: 6         int compare(const T&, const T&); 7 }; 8  9 template<typename T> 10 int CompareDemo<T>::compare(const T& a,const T& b){11     if((a-b)>0)12         return 1;13     else if((a-b)<0)14         return -1;15     else16         return 0;17 }18 19 #endif
　　TemplateDemo01.cpp
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<int> cd;6     cout<<cd.compare(2,3)<<endl;7 }
　　運(yùn)行結(jié)果：　　　　　-1　
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<double> cd;6     cout<<cd.compare(3.2,3.1)<<endl;7 }
　　運(yùn)行結(jié)果：　　　　　　1　　
　　TemplateDemo01.h 改動(dòng)如下：
 1 #ifndef TEMPLATE_DEMO_O1 2 #define TEMPLATE_DEMO_01 3  4 template<typename T> class CompareDemo{ 5     public: 6         int compare(T&, T&); 7 }; 8  9 template<typename T> 10 int CompareDemo<T>::compare(T& a,T& b){11     if((a-b)>0)12         return 1;13     else if((a-b)<0)14         return -1;15     else16         return 0;17 }18 19 #endif
　　TempalteDemo01.cpp
1 #include<iostream.h>2 #include "TemplateDemo01.h"3 4 void main(){5     CompareDemo<int> cd;6     int a=2,b=3;7     cout<<cd.compare(a,b)<<endl;8 }
 
 非類型形參演示示例3：
　　TemplateDemo02.cpp
 1 #include<iostream.h> 2  3 template<typename T> 4 const T& max(const T& a,const T& b){ 5     return a>b ? a:b; 6 } 7  8 void main(){ 9     cout<<max(2.1,2.2)<<endl;//模板實(shí)參被隱式推演成double10     cout<<max<double>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定模板參數(shù)。11     cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定的模板參數(shù)，會(huì)將函數(shù)函數(shù)直接轉(zhuǎn)換為int。12 }
　　運(yùn)行結(jié)果：
　　　　　　　
cout<<max<int>(2.1,2.2)<<endl;//顯示指定的模板參數(shù)，會(huì)將函數(shù)函數(shù)直接轉(zhuǎn)換為int。此語(yǔ)句會(huì)出現(xiàn)警告：
1 --------------------Configuration: TemplateDemo02 - Win32 Debug--------------------2 Compiling...3 TemplateDemo02.cpp4 G:/C++/CDaima/TemplateDemo02/TemplateDemo02.cpp(11) : 　　warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'const int', possible loss of data5 G:/C++/CDaima/TemplateDemo02/TemplateDemo02.cpp(11) : 　　warning C4244: 'argument' : conversion from 'const double' to 'const int', possible loss of data6 7 TemplateDemo02.obj - 0 error(s), 2 warning(s)