C++ Template应用详解
引言
模板(Template)指C++程序设计设计语言中采用类型作为参数的程序设计,支持通用程序设计。C++的标准库提供许多有用的函数大多结合了模板的观念,如STL以及IOStream。
函数模板
在c++入门中,很多人会接触swap(int&,int&)这样的函数类似代码如下:
voidswap(int&a,int&b){ inttemp=a; a=b; b=temp; }
但是如果是要支持long,string,自定义class的swap函数,代码和上述代码差不多,只是类型不同,这个时候就是我们定义swap的函数模板,就可以复用不同类型的swap函数代码,函数模板的声明形式如下:
template<classidentifier>function_declaration; template<typenameidentifier>function_declaration;
swap函数模板的声明和定义代码如下:
//method.h template<typenameT>voidswap(T&t1,T&t2); #include"method.cpp"
//method.cpp template<typenameT>voidswap(T&t1,T&t2){ TtmpT; tmpT=t1; t1=t2; t2=tmpT; }
上述是模板的声明和定义了,那模板如何实例化呢,模板的实例化是编译器做的事情,与程序员无关,那么上述模板如何使用呢,代码如下:
//main.cpp #include<stdio.h> #include"method.h" intmain(){ //模板方法 intnum1=1,num2=2; swap<int>(num1,num2); printf("num1:%d,num2:%d\n",num1,num2); return0; }
这里使用swap函数,必须包含swap的定义,否则编译会出错,这个和一般的函数使用不一样。所以必须在method.h文件的最后一行加入#include"method.cpp"。
类模板
考虑我们写一个简单的栈的类,这个栈可以支持int类型,long类型,string类型等等,不利用类模板,我们就要写三个以上的stack类,其中代码基本一样,通过类模板,我们可以定义一个简单的栈模板,再根据需要实例化为int栈,long栈,string栈。
//statck.h template<classT>classStack{ public: Stack(); ~Stack(); voidpush(Tt); Tpop(); boolisEmpty(); private: T*m_pT; intm_maxSize; intm_size; }; #include"stack.cpp"
//stack.cpp template<classT>Stack<T>::Stack(){ m_maxSize=100; m_size=0; m_pT=newT[m_maxSize]; } template<classT>Stack<T>::~Stack(){ delete[]m_pT; } template<classT>voidStack<T>::push(Tt){ m_size++; m_pT[m_size-1]=t; } template<classT>TStack<T>::pop(){ Tt=m_pT[m_size-1]; m_size--; returnt; } template<classT>boolStack<T>::isEmpty(){ returnm_size==0; }
上述定义了一个类模板--栈,这个栈很简单,只是为了说明类模板如何使用而已,最多只能支持100个元素入栈,使用示例如下:
//main.cpp #include<stdio.h> #include"stack.h" intmain(){ Stack<int>intStack; intStack.push(1); intStack.push(2); intStack.push(3); while(!intStack.isEmpty()){ printf("num:%d\n",intStack.pop()); } return0; }
模板参数
模板可以有类型参数,也可以有常规的类型参数int,也可以有默认模板参数,例如
template<classT,Tdef_val>classStack{...}
上述类模板的栈有一个限制,就是最多只能支持100个元素,我们可以使用模板参数配置这个栈的最大元素数,如果不配置,就设置默认最大值为100,代码如下:
//statck.h template<classT,intmaxsize=100>classStack{ public: Stack(); ~Stack(); voidpush(Tt); Tpop(); boolisEmpty(); private: T*m_pT; intm_maxSize; intm_size; }; #include"stack.cpp"
//stack.cpp template<classT,intmaxsize>Stack<T,maxsize>::Stack(){ m_maxSize=maxsize; m_size=0; m_pT=newT[m_maxSize]; } template<classT,intmaxsize>Stack<T,maxsize>::~Stack(){ delete[]m_pT; } template<classT,intmaxsize>voidStack<T,maxsize>::push(Tt){ m_size++; m_pT[m_size-1]=t; } template<classT,intmaxsize>TStack<T,maxsize>::pop(){ Tt=m_pT[m_size-1]; m_size--; returnt; } template<classT,intmaxsize>boolStack<T,maxsize>::isEmpty(){ returnm_size==0; }
使用示例如下:
//main.cpp #include<stdio.h> #include"stack.h" intmain(){ intmaxsize=1024; Stack<int,1024>intStack; for(inti=0;i<maxsize;i++){ intStack.push(i); } while(!intStack.isEmpty()){ printf("num:%d\n",intStack.pop()); } return0; }
模板专门化
当我们要定义模板的不同实现,我们可以使用模板的专门化。例如我们定义的stack类模板,如果是char*类型的栈,我们希望可以复制char的所有数据到stack类中,因为只是保存char指针,char指针指向的内存有可能会失效,stack弹出的堆栈元素char指针,指向的内存可能已经无效了。还有我们定义的swap函数模板,在vector或者list等容器类型时,如果容器保存的对象很大,会占用大量内存,性能下降,因为要产生一个临时的大对象保存a,这些都需要模板的专门化才能解决。
函数模板专门化
假设我们swap函数要处理一个情况,我们有两个很多元素的vector<int>,在使用原来的swap函数,执行tmpT=t1要拷贝t1的全部元素,占用大量内存,造成性能下降,于是我们系统通过vector.swap函数解决这个问题,代码如下:
//method.h template<classT>voidswap(T&t1,T&t2); #include"method.cpp"
#include<vector> usingnamespacestd; template<classT>voidswap(T&t1,T&t2){ TtmpT; tmpT=t1; t1=t2; t2=tmpT; } template<>voidswap(std::vector<int>&t1,std::vector<int>&t2){ t1.swap(t2); }
template<>前缀表示这是一个专门化,描述时不用模板参数,使用示例如下:
//main.cpp #include<stdio.h> #include<vector> #include<string> #include"method.h" intmain(){ usingnamespacestd; //模板方法 stringstr1="1",str2="2"; swap(str1,str2); printf("str1:%s,str2:%s\n",str1.c_str(),str2.c_str()); vector<int>v1,v2; v1.push_back(1); v2.push_back(2); swap(v1,v2); for(inti=0;i<v1.size();i++){ printf("v1[%d]:%d\n",i,v1[i]); } for(inti=0;i<v2.size();i++){ printf("v2[%d]:%d\n",i,v2[i]); } return0; }
vector<int>的swap代码还是比较局限,如果要用模板专门化解决所有vector的swap,该如何做呢,只需要把下面代码
template<>voidswap(std::vector<int>&t1,std::vector<int>&t2){ t1.swap(t2); }
改为
template<classV>voidswap(std::vector<V>&t1,std::vector<V>&t2){ t1.swap(t2); }
就可以了,其他代码不变。
类模板专门化
请看下面compare代码:
//compare.h template<classT> classcompare { public: boolequal(Tt1,Tt2) { returnt1==t2; } };
#include<iostream> #include"compare.h" intmain() { usingnamespacestd; charstr1[]="Hello"; charstr2[]="Hello"; compare<int>c1; compare<char*>c2; cout<<c1.equal(1,1)<<endl;//比较两个int类型的参数 cout<<c2.equal(str1,str2)<<endl;//比较两个char*类型的参数 return0; }
在比较两个整数,compare的equal方法是正确的,但是compare的模板参数是char*时,这个模板就不能工作了,于是修改如下:
//compare.h #include<string.h> template<classT> classcompare { public: boolequal(Tt1,Tt2) { returnt1==t2; } }; template<>classcompare<char*> { public: boolequal(char*t1,char*t2) { returnstrcmp(t1,t2)==0; } };
main.cpp文件不变,此代码可以正常工作。
模板类型转换
还记得我们自定义的Stack模板吗,在我们的程序中,假设我们定义了Shape和Circle类,代码如下:
//shape.h classShape{ }; classCircle:publicShape{ };
然后我们希望可以这么使用:
//main.cpp #include<stdio.h> #include"stack.h" #include"shape.h" intmain(){ Stack<Circle*>pcircleStack; Stack<Shape*>pshapeStack; pcircleStack.push(newCircle); pshapeStack=pcircleStack; return0; }
这里是无法编译的,因为Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父类,然而我们却希望代码可以这么工作,那我们就要定义转换运算符了,Stack代码如下:
//statck.h template<classT>classStack{ public: Stack(); ~Stack(); voidpush(Tt); Tpop(); boolisEmpty(); template<classT2>operatorStack<T2>(); private: T*m_pT; intm_maxSize; intm_size; }; #include"stack.cpp"
template<classT>Stack<T>::Stack(){ m_maxSize=100; m_size=0; m_pT=newT[m_maxSize]; } template<classT>Stack<T>::~Stack(){ delete[]m_pT; } template<classT>voidStack<T>::push(Tt){ m_size++; m_pT[m_size-1]=t; } template<classT>TStack<T>::pop(){ Tt=m_pT[m_size-1]; m_size--; returnt; } template<classT>boolStack<T>::isEmpty(){ returnm_size==0; } template<classT>template<classT2>Stack<T>::operatorStack<T2>(){ Stack<T2>StackT2; for(inti=0;i<m_size;i++){ StackT2.push((T2)m_pT[m_size-1]); } returnStackT2; }
//main.cpp #include<stdio.h> #include"stack.h" #include"shape.h" intmain(){ Stack<Circle*>pcircleStack; Stack<Shape*>pshapeStack; pcircleStack.push(newCircle); pshapeStack=pcircleStack; return0; }
这样,Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自动转换为Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果转换的类型是Stack<int>到Stack<Shape>,编译器会报错。
其他
一个类没有模板参数,但是成员函数有模板参数,是可行的,代码如下:
classUtil{ public: template<classT>boolequal(Tt1,Tt2){ returnt1==t2; } }; intmain(){ Utilutil; inta=1,b=2; util.equal<int>(1,2); return0; }
甚至可以把Util的equal声明为static,代码如下:
classUtil{ public: template<classT>staticboolequal(Tt1,Tt2){ returnt1==t2; } }; intmain(){ inta=1,b=2; Util::equal<int>(1,2); return0; }
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持毛票票。