🏷 泛型编程

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性

例如：PPT模板、一寸照模板

模板的特点：

• 模板不可以直接使用，它只是一个框架
• 模板的通用并不是万能的

1. 函数模板

• C++另一种编程思想称为 泛型编程 ，主要利用的技术就是模板
• C++提供两种模板机制:函数模板和类模板

1.1 函数模板语法

函数模板作用：

建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

语法： template<typename T> // 函数声明或定义 or template<class T>

解释：

• 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

➰ 示例：

// 利用模板提供通用的交换函数
template <typename T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
  T temp = a;
  a = b;
  b = temp;
}
...
int a = 10, b = 20;
// 利用模板实现交换
// 1、自动类型推导
mySwap(a, b);

// 2、显示指定类型
mySwap<int>(a, b);

📌 总结：

• 函数模板利用关键字 template
• 使用函数模板有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
• 模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化

1.2 函数模板注意事项

注意事项：

• 自动类型推导，必须推导出一致的数据类型 T，才可以使用
• 模板必须要确定出T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
template<class T>
void func()
{
	cout << "func 调用" << endl;
}
...
//func(); // 错误，模板不能独立使用，必须确定出T的类型
func<int>(); // 利用显示指定类型的方式，给T一个类型，才可以使用该模板

📌 总结：

• 使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型

1.3 函数模板案例

案例描述：

• 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数组进行测试

/*
	选择排序模板
*/
template <typename T>
void sortt(T a[], int n)
{
	
  
	int i, j, k, temp;
  	for (i = 0; i < n-1; ++i)
  	{
  		k = i;
  		for (j = i; j < n; ++j)
  			if (a[j] > a[k]) k = j;
		if(k != i)
		{
			temp = a[i];
			a[i] = a[k];
			a[k] = temp;
		}
	}	
}
// 打印数组模板
template <typename T>
void printArr(T arr[], int n)
{
  for (int i = 0; i < n; i++)
		cout << arr[i] << " ";
  cout << endl;
}
...
// 调用
int arr[] = {12, 43, 24, 64, 48, 6, 17, 98, 142};
sortt(arr, 10);
printArr(arr, 10);
char arr2[] = "deagvufcwp";
sortt(arr2, 10);
printArr(arr2, 10);

📌 总结：

• 模板可以提高代码复用，需要熟练掌握

1.4 普通函数与函数模板的区别

普通函数与函数模板区别：

• 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
• 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换

📌 总结：

• 建议使用显示指定类型sortt<int>(a, 10)的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T

1.5 普通函数与函数模板的调用规则

调用规则如下：

1. 如果函数模板void fun(T a, T b){...}和普通函数void fun(int c, int d){...}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fun<>(10, 20)来强制调用函数模板
3. 函数模板也可以发生重载
4. 如果函数模板可以产生更好的匹配fun('f', 'g')，优先调用函数模板

➰ 示例：

//普通函数与函数模板调用规则
void myPrint(int a, int b)
{
	cout << "调用的普通函数" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b) 
{ 
	cout << "调用的模板" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c) 
{ 
	cout << "调用重载的模板" << endl; 
}

void test01()
{
	//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
	// 注意 如果告诉编译器  普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到
	int a = 10;
	int b = 20;
	myPrint(a, b); //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
	myPrint<>(a, b); //调用函数模板

	//3、函数模板也可以发生重载
	int c = 30;
	myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板

	//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); //这里可以调用普通函数和模板函数，但优先调用函数模板
}

📌 总结：

• 既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性

1.6 模板的局限性

局限性：

• 模板的通用性并不是万能的

例如：

	template<class T>
	void f(T a, T b)
	{ 
    	a = b;
    }

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了

再例如：

	template<class T>
	void f(T a, T b)
	{ 
    	if(a > b) { ... }
    }

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行

因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

➰ 示例：

/* 用户类 */
class User{
public:
	string name;	// 姓名 
	int  age;		// 年龄 
	User(string name, int age)
	{
		this->name = name;
		this->age = age;
	}
};

// 模板函数，判断是否相等 
template<class T>
bool myCompare(T &a, T &b)
{
	return a == b ? true : false;
}
// 利用具体化Person的版本实现，具体化优先调用 
template<> bool myCompare(User &a, User &b)
{
	return (a.name == b.name && a.age == b.age) ? true : false;
}
...
int a = 10, b = 20;
bool res = myCompare(a, b); // res = false 不相等

User u1("Tom", 10);
User u2("Tom", 10);
res = myCompare(u1, u2);  // 调用具体化函数， res = true 相等

📌 总结：

• 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，而是在STL能够运用系统提供的模板

2. 类模板

2.1 类模板语法

类模板作用：

• 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： template<typename T>

解释：

• 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

➰ 示例：

/* 模板——用户类 */
template<class NameType, class AgeType>
class User{
public:
	NameType name;	// 姓名 
	AgeType  age;		// 年龄 
	User(NameType name, AgeType age)
	{
		this->name = name;
		this->age = age;
	}
};
...
// 调用，目前的情况下，只能用显示指定类型的方式调用
User<string, int> u1("Tom", 10);

📌 总结：

• 类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板

2.2 类模板与函数模板区别

类模板与函数模板区别主要有两点：

1. 类模板没有自动类型推导的使用方式 / 类模板使用只能用显示指定类型方式
2. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
   • 定义时：
     • template<class NameType, class AgeType = int>
     • class User{...};
   • 使用时：User<string, int> u1("Tom", 10); or User<string, int> u1("Tom");

2.3 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在调用时才创建

2.4 类模板对象做函数参数

学习目标：

• 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. 指定传入的类型 (常用) --- 直接显示对象的数据类型
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

➰ 示例:

template<class NameType, class AgeType>
class User{
  ...
  // 打印用户信息
  void showInfo() {
    cout << "姓名：" << this->name << "年龄：" << this->age << endl;
  }
  ...
};

...

// 1、指定传入的类型 (常用)
void printUser(User<string, int> &u) 
{
	u.showInfo();
}
// 2、参数模板化
template <class T1, class T2>
void printUser2(User<T1, T2> &u)
{
	u.showInfo();
	cout << "T1的类型为： " << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
// 3、整个类模板化
template<class T>
void printUser3(T & u)
{
	cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
	u.showInfo();
}

...
// 调用函数
User<string, int> u1("Tom", 10);
printUser(u1);
printUser2(u1);
printUser3(u1);

📌 总结：

• 通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
• 使用比较广泛是第一种：指定传入的类型

2.5 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，要指定出父类中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，子类也需变为类模板

2.6 类模板成员函数类外实现

学习目标：能够掌握类模板中的成员函数类外实现

➰ 示例:

/* 模板——用户类 */
template<class NameType, class AgeType>
class User{
public:
	NameType name;	// 姓名 
	AgeType  age;		// 年龄 
  // 构造函数——声明
	User(NameType name, AgeType age);
  // 打印用户信息——声明
  void showInfo();
};
...
// 成员函数 类外实现
template<class T1, class T2>
User<T1, T2>::User(T1 name, T2 age)
{
  this->name = name;
  this->age = age;
}
template<class T1, class T2>
void User<T1, T2>::showInfo() {
  cout << "姓名：" << this->name << "年龄：" << this->age << endl;
}

2.7 类模板分文件编写

学习目标：

• 掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式

问题：

• 类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到

解决：

• 解决方式1：直接包含.cpp源文件
• 解决方式2：将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制

📌 总结：

• 主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp

2.8 类模板与友元

学习目标：

• 掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现

友元关键字：friend

1. 全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可
2. 全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在

📌 总结：

• 建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别

2.9 类模板案例

案例描述: 实现一个通用的数组类，要求如下：

• 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
• 将数组中的数据存储到堆区(new)
• 构造函数中可以传入数组的容量
• 提供对应的拷贝构造函数 (opens new window)以及operator=防止浅拷贝问题
• 提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
• 可以通过下标的方式访问数组中的元素
• 可以获取数组中当前元素个数和数组的容量

Box.hpp

/*
	通用数组类 
*/
template<class T>
class Box {
private:
	T * p;	// 指针，指向堆区开辟的数组
	int size;	// 大小 
	int capacity;	// 实际容量
public:
	// 构造函数（有参） 
	Box(int capacity)
	{
		cout << "有参构造调用" << endl;
		this->capacity = capacity;
		this->size = 0;
		this->p = new T[this->capacity];
	} 
	
	// 构造函数（拷贝）
	Box(const Box& arr)
	{
		cout << "拷贝构造调用" << endl;
		this->capacity = arr.capacity;
		this->size = arr.size;
		// 浅拷贝：this->p = arr.p;
		// 深拷贝 ： 
		this->p = new T[arr.capacity];
		// 将arr中的数据拷贝过来
		for (int i = 0; i < this->size; ++i)
			this->p[i] = arr.p[i];
	} 
	
	// operator= 防止浅拷贝问题
	Box& operator=(const Box& arr)
	{
		cout << "operator=构造调用" << endl;
		// 先判断原来堆区是否有数据，如果有，就要先释放
		if (this->p != NULL)
		{
			delete[] this->p;
			this->p = NULL;
			this->capacity = 0;
			this->size = 0;
		} 
		
		// 深拷贝
		this->capacity = arr.capacity;
		this->size = arr.size;
		this->p = new T[arr.capacity];
		for (int i = 0; i < this->size; ++i)
			this->p[i] = arr.p[i];
			
		return *this;
	} 
	
	// 尾插法
	int push_back(const T &val)
	{
		// 判断数组是否满
		if (this->capacity == this->size) 
			return 0;	// 不做操作
		this->p[this->size++] = val; 
		return 1;
	} 
	
	// 尾删法
	int pop_back()
	{
		// 判断数组是否空 
		if (this->size == 0)
			return 0;
		this->size--;	// 逻辑删除 
		return 1;
	} 
	
	// 让用户通过下标方式访问数组元素
	T& operator[](int index)
	{
		// 下标溢出 
		if (index >= this->size) {
			cout << "Box Warning : 提供的下标超出数组范围" << endl;
			return this->p[0]; 
		}
		// 下标为负数，反向访问
		if (index < 0 && 0-index <= this->size)
			return this->p[this->size + index]; 
		//  下标为正
		return this->p[index]; 
	} 
	
	// 返回数组容量
	int getCount() { return this->capacity; } 
	
	// 返回数组大小
	int getSize() { return this->size; } 
	
	// 析构函数 
	~Box()
	{
		cout << "析构调用" << endl;
		if (this->p) 
		{
			delete[] this->p;
			this->p = NULL;
		}
	}
};

main.cpp

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string> 
#include "Box.hpp"

using namespace std;

int main(int argc, char** argv) {
	
	Box<User> arr(10);
	User u1("Tom1", 20);
	User u2("Tom2", 30);
	User u3("Tom3", 40);
	User u4("Tom4", 50);
	User u5("Tom5", 60);
	// 添加数据 
	arr.push_back(u1);
	arr.push_back(u2);
	arr.push_back(u3);
	arr.push_back(u4);
	arr.push_back(u5);
	// 复制一份
	Box<User> arr2(arr); 
	// 打印信息 
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); ++i)
	{
		cout << "  姓名：" << arr[i].name 
		     << "  年龄：" << arr[i].age << endl;
	}
	cout << "容量：" << arr.getCount() << endl;
	cout << "大小：" << arr.getSize() << endl;
	
	return 0;
}