C++ 模板常见特性（函数模板、类模板）

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背景

C++ 是很强大，有各种特性来提高代码的可重用性，有助于减少开发的代码量和工作量。

C++ 提高代码的可重用性主要有两方面：

继承
模板

继承的特性我已在前面篇章写过了，本篇主要是说明「模板」的特性。

使用「模板」的特性设计，实际上也就是「泛型」程序设计。

函数模板

01 变量交换函数模板

假设我们设计一个交换两个整型变量的值的函数，代码如下：

// 交换两个整型变量的值的Swap函数：
void Swap(int & x,int & y)
{
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

如果是浮点类型的变量的值交换，则替换 int 类型为 double 即可，代码如下：

// 交换两个double型变量的值的Swap函数:
void Swap(double & x,double & y)
{
    double tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

那如果是其他变量类型的值交换，那不是每次都要重新写一次 Swap 函数？是不是很繁琐？且代码后面会越来越冗余。

能否只写一个 Swap 函数，就能交换各种类型的变量？

答案是肯定有的，就是用「函数模板」来解决，「函数模板」的形式：

template <class 类型参数1，class 类型参数2，...>
返回值类型 模板名 (形参表)
{
    函数体
};

具体 Swap 「函数模板」代码如下：

template 就是模板定义的关键词，T 代表的是任意变量的类型。

template <class T>
void Swap(T & x,T & y)
{
    T tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

那么定义好「函数模板」后，在编译的时候，编译器会根据传入 Swap 函数的参数变量类型，自动生成对应参数变量类型的 Swap 函数：

int main()
{
    int n = 1,m = 2;
    Swap(n,m); //编译器自动生成 void Swap(int & ,int & )函数
    
    double f = 1.2,g = 2.3;
    Swap(f,g); //编译器自动生成 void Swap(double & ,double & )函数
    
    return 0;
}

上面的实例化函数模板的例子，是让编译器自己来判断传入的变量类型，那么我们也可以自己指定函数模板的变量类型，具体代码如下：

int main()
{
    int n = 1,m = 2;
    Swap<int>(n,m);     // 指定模板函数的变量类型为int
    
    double f = 1.2,g = 2.3;
    Swap<double>(f,g); // 指定模板函数的变量类型为double
    
    return 0;
}

02 查询数组最大值函数模板

在举一个例子，下面的 MaxElement 函数定义成了函数模板，这样不管是 int、double、char 等类型的数组，都可以使用该函数来查数组最大的值，代码如下：

// 求数组最大元素的MaxElement函数模板
template <class T>
T MaxElement(T a[], int size) // size是数组元素个数
{
    T tmpMax = a[0];
    for(int i = 1;i < size;++i)
    {
        if(tmpMax < a[i])
        {
            tmpMax = a[i];
        }
    }
    return tmpMax;
}

03 多个类型参数模板函数

函数模板中，可以不止一个类型的参数：

template <class T1, class T2>
T2 MyFun(T1 arg1, T2 arg2)
{
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
    return arg2;
}

T1 是传入的第一种任意变量类型，T2 是传入的第二种任意变量类型。

04 函数模板的重载

函数模板可以重载，只要它们的形参表或类型参数表不同即可。

// 模板函数 1
template<class T1, class T2>
void print(T1 arg1, T2 arg2) 
{
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}

// 模板函数 2
template<class T>
void print(T arg1, T arg2) 
{
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}

// 模板函数 3
template<class T,class T2>
void print(T arg1, T arg2) 
{
    cout<< arg1 << " "<< arg2<<endl;
}

上面都是 print(参数1, 参数2) 模板函数的重载，因为「形参表」或「类型参数表」名字不同。

05 函数模板和函数的次序

在有多个函数和函数模板名字相同的情况下，编译器如下规则处理一条函数调用语句：

先找参数完全匹配的普通函数（非由模板实例化而得的函数）；
再找参数完全匹配的模板函数；
再找实参数经过自动类型转换后能够匹配的普通函数；
上面的都找不到，则报错。

代码例子如下：

// 模板函数 - 1个参数类型
template <class T>
T Max(T a, T b) 
{
    cout << "TemplateMax" <<endl; return 0;
}

// 模板函数 - 2个参数类型
template <class T, class T2>
T Max(T a, T2 b) 
{
    cout << "TemplateMax2" <<endl; return 0;
}

// 普通函数
double Max(double a, double b)
{
    cout << "MyMax" << endl;
    return 0;
}

int main() 
{
    int i=4, j=5;
    
    // 输出MyMax - 匹配普通函数
    Max( 1.2, 3.4 ); 
    
    //输出TemplateMax - 匹配参数一样的模板函
    Max( i, j );
    
    //输出TemplateMax2 - 匹配参数类型不同的模板函数
    Max( 1.2, 3 );   
    
    return 0;
}

匹配模板函数时，当模板函数只有一个参数类型时，传入了不同的参数类型，是不进行类型自动转换，具体例子如下：

// 模板函数 - 1个参数类型
template<class T>
T myFunction( T arg1, T arg2)
{ 
    cout<<arg1<<" "<<arg2<<"
"; 
    return arg1;
}

...

// OK ：替换 T 为 int 类型
myFunction( 5, 7); 

// OK ：替换 T 为 double 类型  
myFunction(5.8, 8.4);

// error ：没有匹配到myFunction(int, double)函数
myFunction(5, 8.4);

类模板

01 类模板的定义

为了多快好省地定义出一批相似的类,可以定义「类模板」，然后由类模板生成不同的类。

类模板的定义形式如下：

template <class 类型参数1，class 类型参数2，...> //类型参数表
class 类模板名
{
   成员函数和成员变量
};

用类模板定义对象的写法：

类模板名<真实类型参数表> 对象名(构造函数实参表);

02 Pair类模板例子

接下来，用 Pair 类用类模板的方式的实现，Pair 是一对的意思，也就是实现一个键值对（key-value）的关系的类。

// 类模板
template <class T1, class T2>
class Pair
{
public:
    Pair(T1 k, T2 v):m_key(k),m_value(v) {};
    bool operator < (const Pair<T1,T2> & p) const;
private:
    T1 m_key;
    T2 m_value;
};

// 类模板里成员函数的写法
template <class T1, class T2>
bool Pair<T1,T2>::operator < (const Pair<T1,T2> &p) const
{
    return m_value < p.m_value;
}

int main()
{
    Pair<string,int> Astudent("Jay",20); 
    Pair<string,int> Bstudent("Tom",21);
    
    cout << (Astudent < Bstudent) << endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

需要注意的是，同一个类模板的两个模板类是不兼容的：

Pair<string,int> *p;
Pair<string,double> a;
p = & a; //错误！！

03 函数模板作为类模板成员

当函数模板作为类模板的成员函数时，是可以单独写成函数模板的形式，成员函数模板在使用的时候，编译器才会把函数模板根据传入的函数参数进行实例化，例子如下：

// 类模板
template <class T>
class A
{
public:
    template<class T2>
    void Func(T2 t) { cout << t; } // 成员函数模板
};

int main()
{
    A<int> a;
    a.Func('K');     //成员函数模板 Func被实例化
    a.Func("hello"); //成员函数模板 Func再次被实例化

    return 0;
}

04 类模板与非类型参数

类模板的“<类型参数表>”中可以出现非类型参数：

template <class T, int size>
class CArray
{
public:
    void Print( )
    {
        for( int i = 0;i < size; ++i)
        cout << array[i] << endl;
    }
private:
    T array[size];
};

CArray<double,40> a2;
CArray<int,50> a3; //a2和a3属于不同的类

类模板与派生

01 类模板从类模板派生

上图的代码例子如下：

// 基类 - 类模板
template <class T1,class T2>
class A 
{
    T1 v1; T2 v2;
};

// 派生类 - 类模板
template <class T1,class T2>
class B:public A<T2,T1> 
{
    T1 v3; T2 v4;
};

// 派生类 - 类模板
template <class T>
class C:public B<T,T> 
{
    T v5;
};

int main() 
{
    B<int,double> obj1; 
    C<int> obj2;
    return 0;
}

02 类模板从模板类派生

上图的代码例子如下：

template <class T1,class T2>
class A 
{
    T1 v1; T2 v2;
};

template <class T>
class B:public A<int,double>  // A<int,double> 模板类
{
    T v;
};

int main() 
{
    //自动生成两个模板类 ：A<int,double> 和 B<char>
    B<char> obj1;
    return 0;
}

03 类模板从普通类派生

上图的代码例子如下：

// 基类 - 普通类
class A 
{
    int v1;
};

// 派生类 - 类模板
template <class T>
class B:public A  // 所有从B实例化得到的类 ，都以A为基类
{ 
    T v;
};

int main() 
{
    B<char> obj1;
    return 0;
}

04 普通类从模板类派生

上图的代码例子如下：

template <class T>
class A 
{
    T v1;
};

class B:public A<int> 
{
    double v;
};

int main() 
{
    B obj1;
    return 0;
}

类模板与友元

01 函数、类、类的成员函数作为类模板的友元

代码例子如下：

// 普通函数
void Func1() { } 

// 普通类
class A { }; 

// 普通类
class B 
{
    public:
    void Func() { } // 成员函数
};

// 类模板
template <class T>
class Tmp
{
    friend void Func1();    // 友元函数
    friend class A;         // 友元类
    friend void B::Func();  // 友元类的成员函数
}; // 任何从 Tmp 实例化来的类 ，都有以上三个友元

02 函数模板作为类模板的友元

// 类模板
template <class T1,class T2>
class Pair
{
private:
    T1 key;   //关键字
    T2 value; //值
public:
    Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };
    
    // 友元函数模板
    template <class T3,class T4>
    friend ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p);
};

// 函数模板
template <class T3,class T4>
ostream & operator<< (ostream & o, const Pair<T3,T4> & p)
{
    o << "(" << p.key << "," << p.value << ")" ;
    return o;
}

int main()
{
    Pair<string,int> student("Tom",29);
    Pair<int,double> obj(12,3.14);
    
    cout << student << " " << obj;
    return 0;
}

输出结果：

(Tom,29) (12,3.14)

03 函数模板作为类的友元

// 普通类
class A
{
private:
    int v;
public:
    A(int n):v(n) { }
    
    template <class T>
    friend void Print(const T & p); // 函数模板
};

// 函数模板
template <class T>
void Print(const T & p)
{
    cout << p.v;
}

int main() 
{
    A a(4);
    Print(a);
    return 0;
}

输出结果：

04 类模板作为类模板的友元

// 类模板
template <class T>
class B 
{
private:
    T v;
public:
    B(T n):v(n) { }
    
    template <class T2>
    friend class A; // 友元类模板
};

// 类模板
template <class T>
class A 
{
public:
    void Func( )  
    {
        B<int> o(10); // 实例化B模板类
        cout << o.v << endl;
    }
};

int main()
{
    A<double> a;
    a.Func ();
    return 0;
}

输出结果：

类模板与静态成员变量

类模板中可以定义静态成员，那么从该类模板实例化得到的所有类，都包含同样的静态成员。

template <class T>
class A
{
private:
    static int count; // 静态成员
public:
    A() { count ++; }
    ~A() { count -- ; };
    A( A & ) { count ++ ; }
    
    static void PrintCount() { cout << count << endl; } // 静态函数
};

template<> int A<int>::count = 0;    // 初始化
template<> int A<double>::count = 0; // 初始化

int main()
{
    A<int> ia;  
    A<double> da; // da和ia不是相同模板类
    ia.PrintCount();
    da.PrintCount();
    return 0;
}

输出：

1
1

上面的代码需要注意的点：

类模板里的静态成员初始化的时候，最前面要加template<>。
ia 和 da 对象是不同的模板类，因为类型参数是不一致，所以也就是不同的模板类。

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