C++模板详解

参考：C++ 模板详解（一）

模板：对类型进行参数化的工具；通常有两种形式： 

• 函数模板：仅参数类型不同；
• 类模板：   仅数据成员和成员函数类型不同。

目的：让程序员编写与类型无关的代码。

注意：模板的声明或定义只能在全局、命名空间、类范围内进行。即不能在局部范围、函数内进行，比如不能在main函数中声明或定义一个模板。

一 函数模板

1 函数模板的格式： 

template <class 类型名1，class 类型名2，......> 
返回类型 函数名(参数列表)
{函数体
}

• template、class是关键字，class可以用关键字typename代替，在这里typename和class没区别。
  

• <>中的参数叫模板形参，不能为空。模板形参用传入的实参类型来初始化。

• 模板形参可以在 返回类型、参数列表、函数体内使用。一旦编译器确定了模板实参类型，就称他实例化了函数模板的一个实例。

例1：swap函数的模板：

template <class T> 
void swap(T& a, T& b)   //参数列表使用模板形参
{
    T tmp = a;          //函数体内使用模板形参
    a = b;
    b = tmp;
}

• 当调用这个函数模板时，类型T就会被被调用时的类型所代替。

• 比如swap(a,b)，其中a和b是int 型，模板函数就变为swap(int &a, int &b)。

• 而当swap(c,d)，其中c和d是double型时，模板函数会被替换为swap(double &a, double &b)。

例2：max函数的模板

#include<iostream>

template<typename T>
const T& myMax(const T &a, const T &b)
{
　　return a > b ? a : b;
}
 
int main()
{
　　cout << myMax(2.1, 2.2) << endl;         //输出2.2  模板实参被隐式推演成double
　　cout << myMax<double>(2.1, 2.2) << endl; //输出2.2  显示指定模板参数。
　　cout << myMax<int>(2.1, 2.2) << endl;    //输出2    显示指定的模板参数，会将参数转换为int。
14　
15　 　return 0;
16 }

2、注意：

• 不存在swap(int, int)这样的调用！ 即不能用类型初始化，只能用实参推演来进行。即根据2来推出int型。

• 即只能进行swap(2, 3);  或者  int a, b; swap(a,b);   这样的调用。

二 类模板

1 类模板的格式为：

template<class 形参名1, class 形参名2, ...>
class 类名
{... 
};

• 与函数模板一样，以template开始，后接模板形参列表，模板形参不能为空。
• 类的数据成员和函数成员可以使用模板形参。

例：一个类模板的例子：

template<class T> 
class A
{
public: T a;               //类成员使用模板形参T b; T func(T c, T &d);
};

 

2 类模板对象的创建：

• 方法：A<int> m;  类A中用到模板形参的地方都会被int 所代替。
• 两个模板形参：A<int, double> m;  类型之间用逗号隔开。

3 类模板形参必须指定类型而不是实参：

• 必须这样指定 A<int> m;  明确指定类型。
• 不能这样使用A<2> m;  类模板形参不存在实参推演的问题。

4 在类模板外部定义成员函数的方法为：

template<模板形参列表> 
函数返回类型 类名<模板形参名>::函数名(参数列表) 
{函数体
}

例：比如模板类A，有两个模板形参T1，T2，有一个成员函数 void func()，则外部定义该函数的语法为：

template<class T1, class T2>   //与类一致
void A<T1, T2>::func()　　　　　 //类名也要加上模板参数列表
{
}

注意：当在类外面定义类的成员时，template后面的模板形参应与所定义的类的模板形参一致。

三 模板的形参

包括 类型形参、非类型形参、默认形参。

1 类型形参

类型形参由关键字class或typename后接说明符构成，如

template<class T> 
void func(T a)
{
};

• 其中 T 就是一个类型形参，名字由用户确定。

函数模板，同一个类型形参，必须用相同类型的实参来初始化，比如

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

• 调用 func(2, 3.2); 将编译出错，因为模板形参T同时被指定为int 和 double，不一致，会出错。

类模板，其内部成员函数，则没有上述的限制，比如

template<class T>
class A
{
public:T func(T a, T b);   //或者T func(const T &a, const T &b);  普通引用会编译报错
};

• 声明 A<int> a;  调用 a.func(2, 3.2);  在编译时不会出错。
• 第二个实参3.2类型为double，在运行时，会强制类型转换为3。

例：模板类的对象调用成员函数：

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
class A
{
public:
    A();
    T func(T a, T b);
};

template<class T>     //类外定义构造函数
A<T>::A()
{
}

template<class T>     //类外定义成员函数
T A<T>::func(T a, T b)
{
    return a + b;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    A<int> ia;                        //模板实参为int类型的对象
    cout << ia.func(3, 2.1) << endl;  //输出5

    A<double> da;
    cout << da.func(3, 2.1) << endl;  //输出5.1

    return 0;
}

 

2 非类型形参

也就是内置类型形参，如

template<class T, int a>   //int a 就是非类型形参
class B
{
};

非类型形参有几点要注意的：

• 在模板定义的内部是常量值，也就是说，上面的a在类B内部是一个常量。

• 形参只能是整型、指针、引用，像double、string、string **是不允许的，但是double &、double *、对象的引用或指针是正确的。

• 实参必须是一个常量表达式，即必须能在编译时计算出结果。注意：局部对象/变量和其地址，全局指针/变量/对象，都不是常量表达式；全局变量/对象地址或引用，const类型变量，sizeof的结果，都是常量表达式。

• 形参是整型时，实参也必须是整型的，且在编译期间是常量，比如

template <class T, int a> 
class A
{
};

如果有int b;  这时 A<int, b> m; 将出错，因为b不是常量；如果有 const int b;  这时 A<int, b> m;  正确，因为这时b是常量。

• 非类型形参一般不应用于函数模板中，比如有函数模板

template<class T, int a> 
void func(T b)
{
}

若用func(2)调用，会出现无法为非类型形参a推演出参数的错误；可以用显示模板实参来解决，如用func<int, 3>(2); 把非类型形参a设置为整数3。

• 形参和实参间所允许的转换： 

//1 数组到指针，函数到指针的转换
template<int *a>
class A { };
int b[10];
A<b> m;      //数组转换成指针 //2 const修饰符的转换
template<const int *a>
class A { };
int b;
A<&b> m;     //从int*转换成const int *//3 提升转换
template<int a>
class A { };
const short b = 2;
A<b> m;       //short到int提升//4 整数转换
template<unsigned int a>
class A { };
A<3> m;    //int到unsigned int转换//5 常规转换

例：由用户指定栈的大小，并实现栈的相关操作。

#include <iostream> 
#include <string> 
#include <stdexcept>  //std::out_of_range
#include <cstdlib>    //EXIT_FAILURE
using namespace std;

/*********模板类，声明开始，一般都是放在头文件的*********/

template<class T, int MAXSIZE>
class myStack
{
public:
    myStack();
    void push(T const &);  //入栈
    void pop();            //出栈
    T    top() const;      //返回栈顶

    bool empty() const     //判断是否为空
    {
        return size == 0;
    }

    bool full() const      //判断栈是否已满
    {
        return size == MAXSIZE;
    }

private:
    T   elems[MAXSIZE];    //使用数组存放栈元素，由于非类型形参MAXSIZE在类内是一个常量，所以可以用来声明数组大小
    int size;              //栈已使用空间
};

/**********模板类，声明结束，定义成员函数开始********/

template<class T, int MAXSIZE>
myStack<T, MAXSIZE>::myStack(): size(0)      //构造函数，初始化为空
{
}

template<class T, int MAXSIZE>
void myStack<T, MAXSIZE>::push(T const &new_elem)     //入栈
{
    if(size == MAXSIZE)
    {
        throw out_of_range("myStack::push(): stack is full");
    }
    elems[size++] = new_elem;
}

template<class T, int MAXSIZE>
void myStack<T, MAXSIZE>::pop()       //栈顶出栈
{
    if(size <= 0)
    {
        throw out_of_range("myStack::pop(): stack is empty");
    }
    --size;
}

template<class T, int MAXSIZE>
T myStack<T, MAXSIZE>::top() const    //返回栈顶元素
{
    if(size <= 0)
    {
        throw out_of_range("myStack::top(): stack is empty");
    }
    return elems[size - 1];
}

/***********成员函数定义结束**********************/

int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        myStack<int,    20>  int20Stack;    //显示模板实参
        myStack<int,    40>  int40Stack;
        myStack<string, 40>  stringStack;

        int20Stack.push(7);
        cout << int20Stack.top() << endl;   //输出7
        int20Stack.pop();

        for(int i = 0; i < 40; ++i)
            int40Stack.push(i);
        cout << int40Stack.top() << endl;   //输出39
        //int40Stack.push(41);              //继续添加元素，会抛出异常，输出Exception: myStack::push(): stack is full
        
        stringStack.push("hello");
        cout << stringStack.top() << endl;  //输出hello
        stringStack.pop();
        //stringStack.pop();                //继续出栈，会抛出异常，输出Exception: myStack::push(): stack is empty

        return 0;
    }
    catch(out_of_range const &ex)
    {
        cerr << "Exception: " << ex.what() << endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }
}

3 默认形参

1 类模板可以有默认值，函数模板不能有默认值。

2 类模板，类型形参，默认值形式为：

template<class T1, class T2 = int>   //为第二个模板类型形参提供int型的默认值
class A
{
};

3 类模板，类型形参，默认值和普通函数的默认参数一样，如果有多个类型形参，则从第一个设定了默认值的形参之后，所有模板形参都要设定默认值。

template<class T1 = int, class T2>  //错误！如果T1有默认值，T2也必须有
class A
{
};

4 类模板，类型形参，外部定义类的成员函数。template 后的形参列表应省略掉默认值。

template<class  T1, class T2 = int> 
class A
{
public: void func();
}; template<class T1,class T2>   //定义方法，省略掉默认值
void A<T1,T2>::func()
{
}

例：有默认值的类模板

#include <iostream>
using namespace std; 

template<typename T1, typename T2 = double, int abc = 5>  //第二个类型形参和非类型形参有默认值
class A
{
public:
    void print(T1 a, T2 b);
};

template<typename T1, typename T2, int abc>   //类外定义时不能有默认值，毕竟类的声明是作为接口给别人看的
void A<T1, T2, abc>::print(T1 a, T2 b)
{
    cout << a << ' ' << b << endl;
    cout << abc << endl;16 }

int main(int argc, char *argv[])
{
    A<int> a;
    a.print(2.2, 2.1);   //输出 2 2.1 5， 输出2是因为指定为int型，进行了类型转换，输出5是默认值

    return 0;
}