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C++函數(shù)模板與類模板實(shí)例解析

更新時(shí)間：2014年08月14日 17:58:38 投稿：shichen2014

這篇文章主要介紹了C++函數(shù)模板與類模板,需要的朋友可以參考下

本文針對C++函數(shù)模板與類模板進(jìn)行了較為詳盡的實(shí)例解析，有助于幫助讀者加深對C++函數(shù)模板與類模板的理解。具體內(nèi)容如下：

泛型編程（Generic Programming）是一種編程范式，通過將類型參數(shù)化來實(shí)現(xiàn)在同一份代碼上操作多種數(shù)據(jù)類型，泛型是一般化并可重復(fù)使用的意思。泛型編程最初誕生于C++中，目的是為了實(shí)現(xiàn)C++的STL（標(biāo)準(zhǔn)模板庫）。

模板（template）是泛型編程的基礎(chǔ)，一個(gè)模板就是一個(gè)創(chuàng)建類或函數(shù)的藍(lán)圖或公式。例如，當(dāng)使用一個(gè)vector這樣的泛型類型或者find這樣的泛型函數(shù)時(shí)，我們提供足夠的信息，將藍(lán)圖轉(zhuǎn)換為特定的類或函數(shù)。

一、函數(shù)模板

一個(gè)通用的函數(shù)模板（function template）就是一個(gè)公式，可用來生成針對特定類型或特定值的函數(shù)版本。模板定義以關(guān)鍵字template開始，后面跟一個(gè)模板參數(shù)列表，列表中的多個(gè)模板參數(shù)（template parameter）以逗號(hào)分隔。模板參數(shù)表示在類或函數(shù)定義中用到的類型或值。

1、類型參數(shù)

一個(gè)模板類型參數(shù)（type parameter）表示的是一種類型。我們可以將類型參數(shù)看作類型說明符，就像內(nèi)置類型或類類型說明符一樣使用。類型參數(shù)前必須使用關(guān)鍵字class 或typename：

template <typename T> // typename和class一樣的 
T function(T* p) 
{ 
  T tmp = *p;  // 臨時(shí)變量類型為T 
  //... 
  return tmp;  // 返回值類型為T 
}

關(guān)鍵字typename和class是一樣的作用，但顯然typename比class更為直觀，它更清楚地指出隨后的名字是一個(gè)類型名。

編譯器用模板類型實(shí)參為我們實(shí)例化（instantiate）特定版本的函數(shù)，一個(gè)版本稱做模板的一個(gè)實(shí)例（instantiation）。當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)函數(shù)模板時(shí)，編譯器通常用函數(shù)實(shí)參來為我們推斷模板實(shí)參。當(dāng)然如果函數(shù)沒有模板類型的參數(shù)，則我們需要特別指出來：

int a = 10; 
cout << function(&a) << endl;   // 編譯器根據(jù)函數(shù)實(shí)參推斷模板實(shí)參 
 
cout << function<int>(&a) << endl;  // <int>指出模板參數(shù)為int

2、非類型參數(shù)

在模板中還可以定義非類型參數(shù)（nontype parameter），一個(gè)非類型參數(shù)表示一個(gè)值而非一個(gè)類型。我們通過一個(gè)特定的類型名而非關(guān)鍵字class或typename來指定非類型參數(shù)：

// 整形模板 
template<unsigned M, unsigned N> 
void add() 
{ 
  cout<< M+N << endl; 
} 
 
// 指針 
template<const char* C> 
void func1(const char* str) 
{ 
  cout << C << " " << str << endl; 
} 
 
// 引用 
template<char (&R)[9]> 
void func2(const char* str) 
{ 
  cout << R << " " << str << endl; 
} 
 
// 函數(shù)指針 
template<void (*f)(const char*)> 
void func3(const char* c) 
{ 
  f(c); 
} 
 
void print(const char* c) { cout << c << endl;} 
 
char arr[9] = "template";  // 全局變量，具有靜態(tài)生存期 
 
int main() 
{ 
  add<10, 20>(); 
  func1<arr>("pointer"); 
  func2<arr>("reference"); 
  func3<print>("template function pointer"); 
  return 0; 
}

當(dāng)實(shí)例化時(shí)，非類型參數(shù)被一個(gè)用戶提供的或編譯器推斷出的值所替代。一個(gè)非類型參數(shù)可以是一個(gè)整型，或者是一個(gè)指向?qū)ο蠡蚝瘮?shù)的指針或引用：綁定到整形（非類型參數(shù)）的實(shí)參必須是一個(gè)常量表達(dá)式，綁定到指針或引用（非類型參數(shù)）的實(shí)參必須具有靜態(tài)的生存期（比如全局變量），不能把普通局部變量或動(dòng)態(tài)對象綁定到指針或引用的非類型形參。

二、類模板

相應(yīng)的，類模板（class template）是用來生成類的藍(lán)圖。與函數(shù)模板的不同之處是，編譯器不能為類模板推斷模板參數(shù)類型，所以我們必須顯式的提供模板實(shí)參。與函數(shù)模板一樣，類模板參數(shù)可以是類型參數(shù)，也可以是非類型參數(shù)，這里就不再贅述了。

template<typename T> 
class Array { 
public: 
  Array(T arr[], int s); 
  void print(); 
private: 
  T *ptr; 
  int size; 
}; 
 
// 類模板外部定義成員函數(shù) 
template<typename T> 
Array<T>::Array(T arr[], int s) 
{ 
  ptr = new T[s]; 
  size = s; 
  for(int i=0; i<size; ++i) 
    ptr[i]=arr[i]; 
} 
 
template<typename T> 
void Array<T>::print() 
{ 
  for(int i=0; i<size; ++i) 
    cout << " " << *(ptr+i); 
  cout << endl; 
} 
 
int main() 
{ 
  char a[5] = {'J','a','m','e','s'}; 
  Array<char> charArr(a, 5); 
  charArr.print(); 
 
  int b[5] = { 1, 2, 3, 4, 5}; 
  Array<int> intArr(b, 5); 
  intArr.print(); 
 
  return 0; 
}

類模板的成員函數(shù)

與其他類一樣，我們既可以在類模板內(nèi)部，也可以在類模板外部定義其成員函數(shù)。定義在類模板之外的成員函數(shù)必須以關(guān)鍵字template開始，后接類模板參數(shù)列表。

template <typename T> 
return_type class_name<T>::member_name(parm-list) { }

默認(rèn)情況下，對于一個(gè)實(shí)例化了的類模板，其成員函數(shù)只有在使用時(shí)才被實(shí)例化。如果一個(gè)成員函數(shù)沒有被使用，則它不會(huì)被實(shí)例化。

類模板和友元

當(dāng)一個(gè)類包含一個(gè)友元聲明時(shí)，類與友元各自是否是模板是相互無關(guān)的。如果一個(gè)類模板包含一個(gè)非模板的友元，則友元被授權(quán)可以訪問所有模板的實(shí)例。如果友元自身是模板，類可以授權(quán)給所有友元模板的實(shí)例，也可以只授權(quán)給特定實(shí)例。

// 前置聲明，在將模板的一個(gè)特定實(shí)例聲明為友元時(shí)要用到 
template<typename T> class Pal; 
 
// 普通類 
class C { 
  friend class Pal<C>; // 用類C實(shí)例化的Pal是C的一個(gè)友元 
  template<typename T> friend class Pal2; //Pal2所有實(shí)例都是C的友元;無須前置聲明 
}; 
 
// 模板類 
template<typename T> class C2 { 
  // C2的每個(gè)實(shí)例將用相同類型實(shí)例化的Pal聲明為友元,一對一關(guān)系 
  friend class Pal<T>; 
  // Pal2的所有實(shí)例都是C2的每個(gè)實(shí)例的友元，不需要前置聲明 
  template<typename X> friend class Pal2;  
  // Pal3是普通非模板類，它是C2所有實(shí)例的友元 
  friend class Pal3; 
};

類模板的static成員

類模板可以聲明static成員。類模板的每一個(gè)實(shí)例都有其自己獨(dú)有的static成員對象，對于給定的類型X，所有class_name<X>類型的對象共享相同的一份static成員實(shí)例。

template<typename T> 
class Foo { 
public: 
  void print(); 
  //...其他操作 
private: 
  static int i; 
}; 
 
template<typename T> 
void Foo<T>::print() 
{ 
  cout << ++i << endl; 
} 
 
template<typename T> 
int Foo<T>::i = 10; // 初始化為10 
 
int main() 
{ 
  Foo<int> f1; 
  Foo<int> f2; 
  Foo<float> f3; 
  f1.print();  // 輸出11 
  f2.print();  // 輸出12 
  f3.print();  // 輸出11 
  return 0; 
}

我們可以通過類類型對象來訪問一個(gè)類模板的static對象，也可以使用作用域運(yùn)算符（::）直接訪問靜態(tài)成員。類似模板類的其他成員函數(shù)，一個(gè)static成員函數(shù)也只有在使用時(shí)才會(huì)實(shí)例化。

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