C++提高编程——模板

本专栏记录C++学习过程包括C++基础以及数据结构和算法，其中第一部分计划时间一个月，主要跟着黑马视频教程，学习路线如下，不定时更新，欢迎关注。
当前章节处于：
---------第1阶段-C++基础入门
---------第2阶段实战-通讯录管理系统，
---------第3阶段-C++核心编程，
---------第4阶段实战-基于多态的企业职工系统
=====>第5阶段-C++提高编程
---------第6阶段实战-基于STL泛化编程的演讲比赛
---------第7阶段-C++实战项目机房预约管理系统

一、概念

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性。模板不可以直接使用，只是一个框架，并且模板的通用并不是万能的。使用模板的目的是提高复用性，将类型参数化。

二、函数模板

2.1 基本语法

template
函数声明或定义

• template：声明创建模板
• typename:表明其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
• T：通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母，可以定义多个

#include 
using namespace std;


// 定义一个交换的函数模板
template <typename T>
void Myswap(T& a, T& b) {
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test() {
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';
	char d = 'd';
	// 1. 自动推导型
	Myswap(a, b);
	cout << "a=" << a << endl;
	cout << "b=" << b << endl;
	// 2. 显示推导型
	Myswap<char>(c, d);
	cout << "c=" << c << endl;
	cout << "d=" << d << endl;

}

int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

a=20
b=10
c=d
d=c
请按任意键继续. . .

2.2 注意事项

1. 自动类型推导，必须推导出一致的数据类型，才可以使用
2. 模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
   第一个好理解，比如上面的Myswap，如果传入的两个实参类型不一致时，则会导致推导出来的T的类型不一致，则无法使用。下面对于第二点进行代码讲解：

#include 
using namespace std;

// 定义模板
template <class T>
void func() {
	cout << "调用函数模板" << endl;
}


void test() {
	// func(); // 错误
	func<int>(); // 正确
}

int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

调用函数模板
请按任意键继续. . .

实战案例

• 利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序
• 排序规则从大到小，排序算法为选择排序
• 分别利用char数组和int数组进行排序

#include 
using namespace std;

// 排序函数模板
template<class T>
void func(T arr[],int length) {
	// 选择排序
	for (int i = 0; i < length; i++) {
		int max = i; // 认为当前的是最大值
		for (int j = i+1; j < length; j++) {
			if (arr[max] < arr[j]) {
				max = j;
			}
		}

		// 调换两个值
		T temp = arr[i];
		arr[i] = arr[max];
		arr[max] = temp;
	}
}

// 打印函数模板
template <class T>
void printArr(T arr[],int length) {
	for (int i = 0; i < length; i++) {
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

// 测试整型
void test01() {
	int arr[10] = { 1,4,3,2,6,7,5,9,8,0 };
	func(arr, 10);
	printArr(arr, 10);
}
void test02() {
	char arr[] = "acbdfeg";
	int length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	func(arr,length);
	printArr(arr, length);
}
int main() {
	test01();
	test02();
	system("pause");
	return 0;

}

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
g f e d c b a
请按任意键继续. . .

2.3 普通函数和模板函数的区别

• 普通函数调用时可以发生自动类型转化（隐式类型转化）
• 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
• 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转化

#include 
using namespace std;

// 定义一个函数模板
template<class T>
T func1(T a, T b) {
	cout << "调用的是函数模板！" << endl;
	return a + b;
}



// 定义一个普通函数
int func2(int a,int b) {
	cout << "调用的是普通函数！" << endl;
	return a + b;
}

// 测试案例
void test() {
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';
	cout << func1(a, b) << endl;
	cout << func2(a, c) << endl;
	//cout << func1(a, c) << endl;// 报错
	cout << func1<int>(a, c) << endl;// 不报错
}
int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

调用的是函数模板！
30
调用的是普通函数！
109
调用的是函数模板！
109
请按任意键继续. . .

2.4 普通函数和函数模板调用规则

1. 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
2. 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
3. 函数模板也可以发生重载
4. 如果函数模板可以更好的匹配，优先调用函数模板

下面通过具体代码进行逐个讲解

#include 
using namespace std;
// 定义普通函数
void MyPrint(int a,int b) {
	cout << "调用的是普通函数" << endl;
}

// 定义模板函数
template<class T>
void MyPrint(T a, T b) {
	cout << "调用的是模板函数" << endl;
}
// 重载模板函数
template<typename T>
void MyPrint(T a, T b, T c)
{
	cout << "调用重载的模板函数" << endl;
}

int main() {
	// 1. 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
	int a = 10; 
	int b = 20;
	MyPrint(a, b);
	// 2.可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
	MyPrint<>(a, b);
	// 3.函数模板也可以发生重载
	MyPrint(a, b, 30);
	// 4.如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
	char c1 = 'a';
	char c2 = 'b';
	MyPrint(c1, c2);
	system("pause");
	return 0;

}

调用的是普通函数
调用的是模板函数
调用重载的模板函数
调用的是模板函数
请按任意键继续. . .

总结：如果提供了函数模板，最好就不要再提供对应的普通函数，否则容易出现二义性。

2.5 模板的局限性

如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常进行比较运算，C++为了解决这种问题，提供模板的重载，为这些特定类型提供具体化模板。

#include 
using namespace std;
class Person {
public:
	Person(string name,int age) {
		m_Name = name;
		m_Age = age;
	}
	string m_Name;
	int m_Age;
};
// 普通函数模板
template<class T>
bool myCompare(T& a, T& b) {
	return a == b;
}
// 具体化 优先于常规模板
template<> bool myCompare(Person& p1, Person& p2) {
	if (p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

void test() {
	Person p1("Tom", 10);
	Person p2("Tom", 10);
	cout << myCompare(p1, p2) << endl;
}
int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

1
请按任意键继续. . .

利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化，学习模板并不是为了写模板，而是再STL中能够运用系统提供的模板。

三、类模板

类似于函数模板，类有也对应的类模板，类模板的作用是建立一个通用类，类中的成员，数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表，语法为
template
类

• template — 声明创建模板
• typename — 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
• T — 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

3.1 基本语法

#include 
using namespace std;


// 定义一个交换的函数模板
template <typename T>
void Myswap(T& a, T& b) {
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test() {
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';
	char d = 'd';
	// 1. 自动推导型
	Myswap(a, b);
	cout << "a=" << a << endl;
	cout << "b=" << b << endl;
	// 2. 显示推导型
	Myswap<char>(c, d);
	cout << "c=" << c << endl;
	cout << "d=" << d << endl;

}

int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

姓名：孙悟空  年龄：999
姓名：猪八戒  年龄：888
请按任意键继续. . .

3.2 类模板中成员函数创建时机

类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的：

• 普通类中的成员函数一开始就可以创建
• 类模板中的成员函数再调用时才创建

#include 
using namespace std;
class Person1
{
public:
	void showPerson1()
	{
		cout << "Person1 show" << endl;
	}
};

class Person2
{
public:
	void showPerson2()
	{
		cout << "Person2 show" << endl;
	}
};
// 定义类模板
template<class T>
class MyClass
{
public:
	T obj;

	//类模板中的成员函数，并不是一开始就创建的，而是在模板调用时再生成

	void fun1() { obj.showPerson1(); }
	void fun2() { obj.showPerson2(); }

};
void test01()
{
	MyClass<Person1> m;

	m.fun1();

	//m.fun2();//编译会出错，说明函数调用才会去创建成员函数
}
int main() {
	test01();
	system("pause");
	return 0;

}

Person1 show
请按任意键继续. . .

3.3 类模板对象做函数参数

类模板实例化出的对象，向函数传参的方式

一共有三种传入方式：

1. 指定传入的形式：直接显示对象的数据类型，这是用的最多的一种方式
2. 参数模板化：将对象中的参数变为模板进行传递
3. 整个类模板化：将这个对象类型，模板化进行传递

下面用代码进行讲解：

#include 
using namespace std;
// 创建一个类模板
template<class NameType, class AgeType = int> // 默认参数为int
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->mName = name;
		this->mAge = age;
	}
	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
	}
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};
//1、指定传入的类型，最常用的一种方式
void printPerson1(Person<string, int>& p)
{
	p.showPerson();
}
void test01()
{
	Person <string, int >p("孙悟空", 100);
	printPerson1(p);
}

//2、参数模板化
template <class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>& p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T1的类型为： " << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
void test02()
{
	Person <string, int >p("猪八戒", 90);
	printPerson2(p);
}

//3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T& p)
{
	cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
	p.showPerson();

}
void test03()
{
	Person <string, int >p("唐僧", 30);
	printPerson3(p);
}

int main() {

	test01();
	test02();
	test03();

	system("pause");

	return 0;
}
int main() {

	system("pause");
	return 0;

}

name: 孙悟空 age: 100
name: 猪八戒 age: 90
T1的类型为： class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char> >
T2的类型为： int
T的类型为： class Person<class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char> >,int>
name: 唐僧 age: 30
请按任意键继续. . .

3.4 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意一下几点：

• 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要制定出父类中T的类型
• 如果不指定，编译器无法给子类分配内存
• 如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变成类模板

#include 
// 父类类模板
using namespace std;
template<class T>
class Base
{
	T m;
};

// 子类继承父类
// class Son :public Base {}; // 错误，必须要确定父类中的T
class Son :public Base<int> {

};
void test01()
{
	Son c;// 实例化对象
}
template<class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
public:
	Son2()
	{
		cout << typeid(T2).name() << endl;
	}
};

void test02()
{
	Son2<char> child1;
}
int main() {
	test01();

	test02();
	system("pause");
	return 0;

}

char
请按任意键继续. . .

3.5 类模板成员函数类外实现

#include 
using namespace std;

template<class NameType, class AgeType = int> // 默认参数为int
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age);
	void showPerson();
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};
// 构造函数 类外实现
template<class NameType, class AgeType>
Person<NameType, AgeType>::Person(NameType name, AgeType age)
{
	this->mName = name;
	this->mAge = age;
}
// 成员函数类外实现
template<class NameType, class AgeType>
void Person<NameType, AgeType>::showPerson()
{
	cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}

int main() {
	Person<string, int> p("张三", 13);
	p.showPerson();
	system("pause");
	return 0;

}

name: 张三 age: 13
请按任意键继续. . .

3.6 类模板分文件编写

由于类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时连接不到，有两种解决方案：

• 直接包含cpp源文件
• 将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp （更常用）

Person.hpp

#pragma once
#include 
using namespace std;

template<class NameType, class AgeType = int> // 默认参数为int
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age);
	void showPerson();
public:
	NameType mName;
	AgeType mAge;
};
// 构造函数 类外实现
template<class NameType, class AgeType>
Person<NameType, AgeType>::Person(NameType name, AgeType age)
{
	this->mName = name;
	this->mAge = age;
}
// 成员函数类外实现
template<class NameType, class AgeType>
void Person<NameType, AgeType>::showPerson()
{
	cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}

类模板分文件编写.cpp

#include 
using namespace std;

#include "Person.hpp"

int main() {
	Person<string, int> p("张三", 13);
	p.showPerson();
	system("pause");
	return 0;

}

name: 张三 age: 13
请按任意键继续. . .

3.7 类模板和友元

#include 
using namespace std;
template <class T1,class T2>
class Person;

// 2. 全局函数类外实现
template <class T1, class T2>
void showPerson(Person<T1, T2> p) {
	cout << "姓名：" << p.m_Name << "  年龄：" << p.m_Age << endl;
}


template <class T1, class T2>
class Person {
	// 1. 全局函数类内实现
	// 加上friend变为全局函数，如果不加的话就是成员函数
	//friend void showPerson(Person p) {
	//	cout << "姓名：" << p.m_Name << "  年龄：" << p.m_Age << endl;
	//}
	// 如果全局函数是类外实现，需要让编译器提前知道这个函数存在
	friend void showPerson<>(Person<T1, T2> p);
public:
	Person(T1 name, T2 age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
private:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};


int main() {
	Person<string, int> p("Tom", 12);
	showPerson(p);
	system("pause");
	return 0;

}

姓名：Tom  年龄：12
请按任意键继续. . .

实战案例
实现一个通用的数组类

1. 可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
2. 将数组中的数据存储到堆区
3. 构造函数中可以川入数组的容量
4. 提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
5. 提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
6. 可以通过下标的方式访问数组中的元素
7. 可以获取数组中当前元素个数和数组的容量

main.cpp

#include 
using namespace std;
#include "MyArray.hpp"
class Person {
public:
	Person() {
	}
	Person(string name, int age) {
		m_name = name;
		m_age = age;
	}
	string getName() {
		return m_name;
	}
	int getAge() {
		return m_age;
	}
private:
	string m_name;
	int m_age=0;
};



void showPerson(Myarray<Person> array,int num) {
	for (int i = 0; i < num; i++) {
		cout << "姓名：" << array[i].getName() << "   年龄："<<array[i].getAge()<<endl;
	}
}
void showInt(Myarray<int> arr, int num) {
	for (int i = 0; i < num; i++) {
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test() {
	Myarray<int> arr(10);
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		arr.insert_Back(i);
	}
	showInt(arr, 10);
	//Myarray arr2(arr);
	//Myarray arr3(20);
	//arr3 = arr;
	//cout <<"arr3的容量为"<< arr3.get_Mcap() << endl;
	Myarray<Person> PersonArr(2);
	Person p1("张三", 12);
	Person p2("李四", 21);
	PersonArr.insert_Back(p1);
	PersonArr.insert_Back(p2);
	showPerson(PersonArr,2);
}
int main() {
	test();
	system("pause");
	return 0;

}

MyArray.hpp

#pragma once
#include 
using namespace std;

template <class T>
class Myarray {
public:
	// 有参构造
	Myarray(int cap) {
		cout << "调用有参构造函数" << endl;
		//cout << "hello" << endl;
		this->m_cap = cap;
		this->pArray = new T[this->m_cap]; // 在堆区开辟
		this->size = 0;

	}
	// 拷贝构造
	Myarray(Myarray& arr) {
		//cout << "调用拷贝构造函数" << endl;
		this->size = arr.size;
		this->m_cap = arr.m_cap;
		this->pArray = new T[arr.m_cap];
		// 将arr中的数据拿过来
		for (int i = 0; i < arr.size; i++) {
			this->pArray[i] = arr.pArray[i];
		}
	}
	// 析构函数
	~Myarray() {
		if (this->pArray!= NULL) {
			cout << "调用析构函数" << endl;
			this->m_cap = 0;
			this->size = 0;
			// pArray是个数组  删除时要注意格式
			delete[] pArray;
			pArray = NULL;
			//cout << "删除完成" << endl;
		}
	}
	// 重载=操作运算符
	Myarray& operator=(const Myarray& arr) {

		//cout << "调用operator=函数" << endl;
		// 先判断原来栈区是否有数据
		if (this->pArray != NULL) {
			delete[] pArray;
			pArray = NULL;
			this->m_cap = 0;
			this->size = 0;

		}
		this->m_cap = arr.m_cap;
		this->size = arr.size;
		this->pArray = new T[arr.m_cap];
		return *this;
	}
	// 重载[]操作运算符
	T& operator[](int index) {
		return pArray[index];
	}
	// 获取数组容量
	int get_Mcap() {
		return this->m_cap;
	}
	// 获取数组大小
	int get_Size() {
		return this->size;
	}
	// 获取
	// 尾插法
	void insert_Back(T value) {
		// 判断还有无空间
		if (this->size == this->m_cap) {
			cout << "达到插入上限！" << endl;
			return ;
		}
		this->pArray[this->size] = value;
		this->size++;
		//return *this;
	}
	// 尾删法
	void pop_Back() {
		// 判断是否为0
		if (this->size == 0) {
			cout << "已达删除上限！" << endl;
			return;
		}
		this->size--;
	}
	// 通过下标方式访问元素
	T& get_index(int index) {
		if (index<0 || index>this.size) {
			cout << "索引有无！" << endl;
			return;
		}
		return this->pArray[index];
	}
private:
	T* pArray; // 头指针
	int m_cap; // 容量
	int size; // 大小
};

调用有参构造函数
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
调用析构函数
调用有参构造函数
姓名：张三   年龄：12
姓名：李四   年龄：21
调用析构函数
调用析构函数
调用析构函数
请按任意键继续. . .