淺析C++函數模板和類模板

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C++語言全盤繼承瞭C語言的標準庫，其中包換非常豐富的系統函數，例如輸入/輸出函數、數學函數、字符串處理函數和動態內存分配函數等。C++語言另外又增加瞭一些新的庫，我們把C++語言新增的這部分庫稱為C++標準庫。C++語言的模板技術包括函數模板和類模板。模板技術是一種代碼重用技術，函數和類是C++語言中兩種主要的重用代碼形式。代碼模板使源程序更加凝練。

一、函數模板

函數模板的基本原理是通過數據類型的參數化，將一組算法相同但所處理數據類型不同的重載函數凝練成一個函數模板。

1、函數模板的定義和使用

函數模板的定義語法形式：

template <類型參數列表>

函數類型 函數名(形參參數列表)

{

函數體

}

函數模板的幾點語法細則：

  • 定義函數模板以關鍵字template開頭
  • 類型參數列表可以聲明一個或多個類型參數，每個類型參數以"typename 類型參數名"或"class 類型參數名"的形式聲明，類型參數之間用逗號”，“隔開。
  • 函數模板的其餘部分，包括函數類型、函數名、形式參數列表以及函數體，它們和普通函數的定義形式沒有什麼區別。
  • 使用typename和class聲明的類型參數可視為一種新的數據類型，可用來定義函數類型(即返回值類型)、形參類型和局部變量類型。類型參數是表示數據類型的參數，再實際調用時可被替換成任意數據類型

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T>  //定義函數模板Max，聲明一個類型參數T
T Max(T x,T y)   //使用類型參數T定義函數類型和形參x和y的類型
{
    return(x>y?x:y);
}
int main()
{
    cout << Max(5,10) <<endl; //調用返回最大值10
    cout << Max(5.2,10.2) <<endl; //調用返回最大值10.2
    return 0;
}

函數模板可以像普通函數一樣被調用。再調用者看來，函數模板的類型參數像是一種通用數據類型。

2、函數模板的編譯原理

函數模板是具有類型參數的函數。類型參數是表示數據類型的參數，可指代任意一種實際數據類型。編譯器再編譯到函數模板的調用語句時，根據位置對應關系從實參數據類型推導出類型參數所指代的數據類型，然後按照函數模板自動生成一個該類型的函數定義代碼。不同類型實參的函數模板調用語句將生成不同類型的重載函數。函數模板將數據類型參數化，調用時會呈現參數多態性。

3、函數模板的聲明

跟普通函數一樣函數模板也需要先定義後調用的原則。如果函數模板定義再調用後，或定義再其他程序文件中，則應先聲明後調用。函數模板的聲明語法形式為：

template <類型參數列表>

函數類型 函數名(形參參數列表)；

或

template <類型參數列表> 函數類型 函數名(形參參數列表)；

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T>  //函數模板Max定義聲明
T Max(T x,T y);
int main()
{
    cout << Max(5,10) <<endl; //函數模板Max使用
    cout << Max(5.2,10.2) <<endl; 
    return 0;
}
template <typename T>  //函數模板Max定義
T Max(T x,T y)   
{
    return(x>y?x:y);
}

程序員再編程時可以靈活使用模板技術。在定義多個重載函數時可以考慮是否將他們定義成一個函數模板，這樣可以凝練函數代碼。再定義單個函數時也可以考慮定義成函數模板，這樣可以提高函數代碼的可重用性。對於調用函數模板的程序員而言，函數模板和普通函數沒有什麼區別。唯一不同的時函數模板可以處理不同類型的數據。

二、類模板

應用模板技術，也可以將一組功能相同但所處理數據類型不同的類凝練成一個類模板。編譯時，再由編譯器按照類模板自動生成針對不同數據類型的類定義代碼。

1、類模板的定義和使用

定義類模板的語法形式：

template <類型參數列表>

class 類名 //類聲明部分

{

類成員聲明

}

//類實現部分：所有類外定義的函數成員，必須按如下的語法形式將它們定義成函數模板

template <類型參數列表>

函數類型 類名<類型參數名列表>::函數名(形式參數列表)

{ 函數體 }

類模板的幾點語法細則：

  • 定義類模板以關鍵字template開頭
  • 類型參數列表可以聲明一個或多個類型參數，每個類型參數以"typename 類型參數名"或"class 類型參數名"的形式聲明，類型參數之間用逗號”，“隔開。
  • 類模板定義的其餘部分，包括類名、類成員聲明以及類實現部分，它們和普通類的定義形式基本相同。
  • 定義類模板的函數成員，如果再類內定義(內聯函數),其語法形式和普通類的函數成員沒區別；如果再類外(即類實現部分)定義，則必須按照函數模板的語法形式來定義，並且還要再函數名前面加“類名<類型參數名列表>::”限定。
  • 使用typename和class聲明的類型參數可視為一種新的數據類型，類型參數是表示數據類型的參數，再使用類模板時可被替換成任意數據類型。

定義好的類模板可以像普通類一樣被用來定義對象。使用類模板定義對象時，需要明確給出類模板中類型參數所指代的實際數據類型。其語法形式如下：類模板名 <實際數據類型列表> 對象名1，對象名2 …..;

類模板語法示例：

在類內定義函數成員(內聯)

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> //類模板A
class A  //類聲明部分
{
    private: //聲明兩個私有數據成員
        T a1;
        int a2;
    public:
        A(T p1,int p2) //定義構造函數
        { a1 = p1; a2 = p2}
        void Show() //顯示數據成員
        { cout << a1 <<","<<a2 <<endl;}
        T Sum() //求數據成員的和
        {return (T)(a1+a2); }
};
//無類實現部分

int main()
{
    //用類模板定義對象
    A <double> o1(10.5,6); //double型對象
    o1.Show(); //顯示：10.5，6
    cout<<o1.Sum()<<endl;//顯示：16.5
    
    A <int> o2(10,6); //int型對象
    o2.Show(); //顯示：10，6
    cout<<o1.Sum()<<endl;//顯示：16
    return 0;
}

在類外定義函數模板成員

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> //類模板A
class A  //類聲明部分
{
    private: //聲明兩個私有數據成員
        T a1;
        int a2;
    public:
        A(T p1,int p2); //定義構造函數
        void Show(); //顯示數據成員
        T Sum(); //求數據成員的和
};
//類實現部分
template <typename T>
A <T>::A(T p1,int p2) 
{ a1 = p1; a2 = p2}
template <typename T>
void A <T>::Show() 
{ cout << a1 <<","<<a2 <<endl;}
template <typename T>
T A <T>::Sum()
{return (T)(a1+a2); }
int main()
{
    //用類模板定義對象
    A <double> o1(10.5,6); //double型對象
    o1.Show(); //顯示：10.5，6
    cout<<o1.Sum()<<endl;//顯示：16.5
    
    A <int> o2(10,6); //int型對象
    o2.Show(); //顯示：10，6
    cout<<o1.Sum()<<endl;//顯示：16
    return 0;
}

2、類模板的編譯原理

當定義到類模板定義對象語句時，編譯器將根據所給出的實際數據類型來取代類型參數T。例如A <double> o1(10.5,6); 編譯時將類模板中類類型參數綁定到某個具體數據類型的過程，稱為類模板的實例化。實例化所生成的類稱為類模板的實例類。實例類是一個普通的類，可以用來定義對象。

類模板編譯原理：類模板是具有類型參數的類。類型參數是表示數據類型的參數，可指代任意實際數據類型。編譯器在編譯到使用類模板定義對象語句時，將首先按照所給定的實際數據類型對類模板進行實例化，生成一個實例類。最終，編譯器使用實例類來定義所需要的對象。

3、類模板的繼承和派生

類模板可以被繼承，派生出新類。以類模板為基類定義派生類，可以在派生時實例化，也可以繼續定義派生類模板。

1、定義實例化派生類

定義實例化派生類就是在派生類繼承基類的時候將類型參數賦值，此時派生類對基類進行實例化。

實例化派生類示例

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> //類模板基類Base
class Base  //類聲明部分
{
    private: //聲明私有數據成員
        T a;
    public:
        Base(T x) { a=x; }
        void Show() { cout<< "a="<<a<<","; }
};
//無類實現部分

class Derived:public Base<double> //公有繼承基類模板Base，派生時實例化
{
    private: //聲明新增數據成員
        int b;
    public:
        //註意派生類構造函數寫法
        Derived(double p1,int p2):Base<double>(p1) { b=p2; } 
        //新增函數成員Show
        void Show() { Base <double>::Show(); cout<< "b="<<b<<endl; }
};

int main()
{
    Derived obj(10.5,6);//定義派生類Derived對象obj
    obj.Show(); //顯示結果：a=10.5,b=6
    return 0;
}

在編譯到派生類Derived的定義代碼時，編譯器將按照所給定的實際數據類型double對類模板Base進行實例化，生成一個double型的實例類，最終派生類Derived繼承的是該實例類。

2、定義派生類模板

定義派生類模板是派生類在繼承類模板基類時不進行實例化，因此派生類仍然是一個類模板。

派生類模板示例

#include<iostream>
using namespace std;
template <typename T> //類模板基類Base
class Base  //類聲明部分
{
    private: //聲明私有數據成員
        T a;
    public:
        Base(T x) { a=x; }
        void Show() { cout<< "a="<<a<<","; }
};
//無類實現部分

//公有繼承類模板Base，派生類仍為類模板
template <typename T,typename TT> //新增類型參數TT
class Derived:public Base<T> //公有繼承基類模板Base,定義派生類模板
{
    private: //聲明新增數據成員
        TT b;
    public:
        //註意派生類構造函數寫法
        Derived(T p1,TT p2):Base<T>(p1) { b=p2; } 
        //新增函數成員Show
        void Show() { Base <T>::Show(); cout<< "b="<<b<<endl; }
};

int main()
{
    Derived<double,int> obj(10.5,6);//定義派生類Derived對象obj
    obj.Show(); //顯示結果：a=10.5,b=6
    return 0;
}

和其他類模板一樣，派生類模板Derived在定義對象時需要明確給出派生類模板中類型參數所指代的實際數據類型。程序員編程時，在定義多個功能相同但處理數據類型不同的類時應考慮是否可以將它們合並成一個類模板，這樣可以凝練代碼。再定義單個類時也可以考慮升級成類模板，這樣可以提高函數代碼的可重用性。對於調用類模板的程序員而言，類模板和普通類沒有什麼區別。隻是在使用類模板時需要給出類型參數所指代的實際數據類型。

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