C++类模板和模板类

C++
中有一个重要特性，那就是模板类型。类似于Objective-C中的泛型。C++通过类模板来实现泛型支持。

1 基础的类模板

类模板，可以定义相同的操作，拥有不同数据类型的成员属性。

通常使用template来声明。告诉编译器，碰到T不要报错，表示一种泛型.

如下，声明一个普通的类模板：

template <typename T>
class Complex{
    
public:
    //构造函数
    Complex(T a, T b)
    {
        this->a = a;
        this->b = b;
    }
    
    //运算符重载
    Complex<T> operator+(Complex &c)
    {
        Complex<T> tmp(this->a+c.a, this->b+c.b);
        return tmp;
    }
        
private:
    T a;
    T b;
}

int main()
{
    //对象的定义，必须声明模板类型，因为要分配内容
    Complex<int> a(10,20);  
    Complex<int> b(20,30);
    Complex<int> c = a + b;
    
    return 0;
}

2 模板类的继承

在模板类的继承中，需要注意以下几点：

• 如果父类自定义了构造函数，记得子类要使用构造函数列表来初始化
• 继承的时候，如果子类不是模板类，则必须指明当前的父类的类型，因为要分配内存空间
• 继承的时候，如果子类是模板类，要么指定父类的类型，要么用子类的泛型来指定父类

template <typename T>
class Parent{
public:
    Parent(T p)
    {
        this->p = p;
    }
    
private:
    T p;
};

//如果子类不是模板类，需要指明父类的具体类型
class ChildOne:public Parent<int>{
    
public:
    ChildOne(int a,int b):Parent(b)
    {
        this->cone = a;
    }
    
private:
    int cone;
};


//如果子类是模板类，可以用子类的泛型来表示父类
template <typename T>
class ChildTwo:public Parent<T>{
    
public:
    ChildTwo(T a, T b):Parent<T>(b)
    {
        this->ctwo = a;
    }
    
private:
    T ctwo;
};

3 内部声明定义普通模板函数和友元模板函数

普通模板函数和友元模板函数，声明和定义都写在类的内部，也不会有什么报错。

template <typename T>
class Complex {
    
    //友元函数实现运算符重载
    friend ostream& operator<<(ostream &out, Complex &c)
    {
        out<<c.a << " + " << c.b << "i";
        return out;
    }
    
public:
    Complex(T a, T b)
    {
        this->a = a;
        this->b = b;
    }
    
    //运算符重载+
    Complex operator+(Complex &c)
    {
        Complex temp(this->a + c.a, this->b + c.b);
        return temp;
    }
    
    //普通加法函数
    Complex myAdd(Complex &c1, Complex &c2)
    {
        Complex temp(c1.a + c2.a, c1.b + c2.b);
        return temp;
    }
    
private:
    T a;
    T b;
};

int main()
{
    Complex<int> c1(1,2);
    Complex<int> c2(3,4);
    
    Complex<int> c = c1 + c2;
    
    cout<<c<<endl;
    
    return 0;
}

4 内部声明友元模板函数+外部定义友元模板函数

如果普通的模板函数声明在内的内部，定义在类的外部，不管是否处于同一个文件，就跟普通的函数一样，不会出现任何错误提示。但是如果是友元函数就会出现报错，是因为有二次编译这个机制存在。

4.1 模板类和模板函数的机制

在编译器进行编译的时候，编译器会产生类的模板函数的声明，当时实际确认类型后调用的时候，会根据调用的类型进行再次帮我们生成对应类型的函数声明和定义。我们称之为二次编译。同样，因为这个机制，会经常报错找不到类的函数的实现。在模板类的友元函数外部定义时，也会出现这个错误。解决方法是 “ 类的前置声明和函数的前置声明 ”。

• 按照普通模板函数的样式处理友元函数

#include <iostream>
using namespace std;


template <typename T>
class Complex {
    
    //友元函数实现运算符重载
    friend ostream& operator<<(ostream &out, Complex<T> &c);
    
public:
    Complex(T a, T b);
    
    //运算符重载+
    Complex<T> operator+(Complex<T> &c);
    
    //普通加法函数
    Complex<T> myAdd(Complex<T> &c1, Complex<T> &c2);
    
private:
    T a;
    T b;
};

//友元函数的实现
template <typename T>
ostream& operator<<(ostream &out, Complex<T> &c)
{
    out<<c.a << " + " << c.b << "i";
    return out;
}


//函数的实现
template <typename T>
Complex<T>::Complex(T a, T b)
{
    this->a = a;
    this->b = b;
}

template <typename T>
Complex<T> Complex<T>::operator+(Complex<T> &c)
{
    Complex temp(this->a + c.a, this->b + c.b);
    return temp;
}

template <typename T>
Complex<T> Complex<T>::myAdd(Complex<T> &c1, Complex<T> &c2)
{
    Complex temp(c1.a + c2.a, c1.b + c2.b);
    return temp;
}


int main()
{
    Complex<int> c1(1,2);
    Complex<int> c2(3,4);
    
    Complex<int> c = c1 + c2;
    
    cout<<c<<endl;
    
    return 0;
}

• 友元函数的定义写在类的外部--错误信息

Undefined symbols for architecture x86_64:
  "operator<<(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, Complex<int>&)", referenced from:
      _main in demo1.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

上面的错误信息，就是典型的二次编译的错误信息，找不到友元函数的函数实现。所以，如果友元模板函数的定义写在函数的外部，需要进行类和函数的前置声明，来让编译器找到函数的实现

4.2 前置声明解决二次编译问题

• 类的前置声明
• 友元模板函数的前置声明
• 友元模板函数声明需要增加泛型支持

5 声明和定义分别在不同的文件（模板函数、模板友元）

类的声明和实现，分别在不同的文件下，需要增加一个hpp文件支持。或者尽量将模板函数与模板友元放在一个文件下。

• 类的声明与函数的声明写在.h文件
• 类的实现及函数的实现写在.cpp文件
• 将.cpp文件改成.hpp文件
• 在主函数中调用.hpp文件，而不是引用.h文件

如果碰到.h和.hpp文件都存在的情况下，引用.hpp文件。

demo2.h文件
存放类的声明和函数的声明

#include <iostream>
using namespace std;

//类的前置声明
template <typename T>
class Complex;

//友元函数的声明
template <typename T>
ostream& operator<<(ostream &out, Complex<T> &c);

template <typename T>
class Complex {
    
    //友元函数实现运算符重载
    friend ostream& operator<< <T> (ostream &out, Complex<T> &c);
    
public:
    Complex(T a, T b);
    
    //运算符重载+
    Complex<T> operator+(Complex<T> &c);
    
    //普通加法函数
    Complex<T> myAdd(Complex<T> &c1, Complex<T> &c2);
    
private:
    T a;
    T b;
};

demo2.hpp文件
包括模板函数的实现

#include "demo2.h"

//友元函数的实现
template <typename T>
ostream& operator<<(ostream &out, Complex<T> &c)
{
    out<<c.a << " + " << c.b << "i";
    return out;
}


//函数的实现
template <typename T>
Complex<T>::Complex(T a, T b)
{
    this->a = a;
    this->b = b;
}

template <typename T>
Complex<T> Complex<T>::operator+(Complex<T> &c)
{
    Complex temp(this->a + c.a, this->b + c.b);
    return temp;
}

template <typename T>
Complex<T> Complex<T>::myAdd(Complex<T> &c1, Complex<T> &c2)
{
    Complex temp(c1.a + c2.a, c1.b + c2.b);
    return temp;
}

main.cpp文件
需要调用hpp文件

#include <iostream>
using namespace std;
#include "demo2.hpp"


int main()
{
    Complex<int> c1(1,2);
    Complex<int> c2(3,4);
    
    Complex<int> c = c1 + c2;
    
    cout<<c<<endl;
    
    return 0;
}

更多参考