C++ 模板

函式模板

在c++入門中，很多人會接觸swap(int&, int&)這樣的函數類似程式碼如下:

void swap(int&a , int& b) {
    int temp = a;
    a =  b;
    b = temp;
}

但是如果是要支援long,string,自訂class的swap函數,程式碼和上述程式碼差不多，只是型別不同，這個時候就是我們定義swap的函式範本,就可以重複使用不同類型的swap函數程式碼，函數模板的宣告形式如下:

template <class identifier> function_declaration;
template <typename identifier> function_declaration;

swap函數模板的宣告和定義碼如下:

//method.h
template<typename T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

//method.cpp

template<typename  T> void swap(T& t1, T& t2) {
    T tmpT;
    tmpT = t1;
    t1 = t2;
    t2 = tmpT;
}

上述是模板的宣告和定義了，那模板如何實例化呢，模板的實例化是編譯器做的事情，與程式設計師無關，那麼上述模板如何使用呢，程式碼如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "method.h"
int main() {
    //模板方法 
    int num1 = 1, num2 = 2;
    swap<int>(num1, num2);
    printf("num1:%d, num2:%d\n", num1, num2);  
    return 0;
}

這裡使用swap函數，必須包含swap的定義，否則編譯會出錯，這個和一般的函數使用不一樣。所以必須在method.h檔的最後一行加入#include "method.cpp"。

類模板

考慮我們寫一個簡單的棧的類，這個棧可以支持int類型，long類型，string類型等等，不利用類模板，我們就要寫三個以上的stack類，其中代碼基本一樣，透過類別模板，我們可以定義一個簡單的棧模板，再根據需要實例化為int棧，long棧，string棧。

//statck.h
template <class T> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpp
template <class  T>  Stack<T>::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack<T>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

上述定義了一個類別模板​​--棧，這個棧很簡單，只是為了說明類別模板如何使用而已，最多只能支援100個元素入棧，使用範例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
    Stack<int> intStack;
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    intStack.push(3);
    
    while (!intStack.isEmpty()) {
        printf("num:%d\n", intStack.pop());
    }
    return 0;
}

模板參數
模板可以有類型參數，也可以有常規的型別參數int，也可以有預設模板參數，例如

template<class T, T def_val> class Stack{...}

上述類別模板的棧有一個限制，就是最多只能支援100個元素，我們可以使用模板參數來配置這個棧的最大元素數,如果不配置，就設定預設最大值為100，程式碼如下:

//statck.h
template <class T,int maxsize = 100> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpp
template <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::Stack(){
   m_maxSize = maxsize;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T,int maxsize>  Stack<T, maxsize>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T,int maxsize> void Stack<T, maxsize>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T,int maxsize> T Stack<T, maxsize>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T,int maxsize> bool Stack<T, maxsize>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

使用範例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
    int maxsize = 1024;
    Stack<int,1024> intStack;
    for (int i = 0; i < maxsize; i++) {
        intStack.push(i);
    }
    while (!intStack.isEmpty()) {
        printf("num:%d\n", intStack.pop());
    }
    return 0;
}

模板專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化。例如我們定義的stack類別模板，如果是char*類型的棧，我們希望可以複製char的所有資料到stack類別中，因為只是保存char指針，char指針指向的記憶體有可能會失效，stack彈出的堆疊元素char指針，指向的記憶體可能已經無效了。還有我們定義的swap函數模板，在vector或list等容器類型時，如果容器保存的物件很大，會佔用大量內存，性能下降，因為要產生一個臨時的大物件保存a，這些都需要模板的專門化才能解決。

函數模板專門化

  假設我們swap函數要處理一個情況，我們有兩個很多元素的vector,在使用原來的swap函數，執行tmpT = t1要拷貝t1的全部元素，佔用大量內存，造成性能下降，於是我們系統通過vector.swap函數解決這個問題,代碼如下:

//method.h
template<class T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

#include <vector>
using namespace std;
template<class T> void swap(T& t1, T& t2) {
    T tmpT;
    tmpT = t1;
    t1 = t2;
    t2 = tmpT;
}

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

template<>前綴表示這是一個專門化,描述時不用模板參數，使用範例如下:

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include <vector>
#include <string>
#include "method.h"
int main() {
    using namespace std;
    //模板方法 
    string str1 = "1", str2 = "2";
    swap(str1, str2);
    printf("str1:%s, str2:%s\n", str1.c_str(), str2.c_str());  
    
    vector<int> v1, v2;
    v1.push_back(1);
    v2.push_back(2);
    swap(v1, v2);
    for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
        printf("v1[%d]:%d\n", i, v1[i]);
    }
    for (int i = 0; i < v2.size(); i++) {
        printf("v2[%d]:%d\n", i, v2[i]);
    }
    return 0;
}

vector的swap程式碼還是比較局限，如果要用模板專門化解決所有vector的swap，該如何做呢，只需要把下面程式碼

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

改為

就可以了，其他程式碼不變。

類模板專門化

 請看下面compare代碼:

template<class V> void swap(std::vector<V>& t1, std::vector<V>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

//compare.h
template <class T>
 class compare
 {
  public:
  bool equal(T t1, T t2)
  {
       return t1 == t2;
  }
};

在比較兩個整數，compare的equal方法是正確的，但是compare的模板參數是char*時，這個模板就不能工作了，於是修改如下:

#include <iostream>
#include "compare.h"
 int main()
 {
  using namespace std;
  char str1[] = "Hello";
  char str2[] = "Hello";
  compare<int> c1;
  compare<char *> c2;   
  cout << c1.equal(1, 1) << endl;        //比较两个int类型的参数
  cout << c2.equal(str1, str2) << endl;   //比较两个char *类型的参数
  return 0;
 }

main.cpp檔案不變，此程式碼可以正常運作。

模板類型轉換

還記得我們自訂的Stack模板嗎，在我們的程式中，假設我們定義了Shape和Circle類，程式碼如下:

//compare.h
#include <string.h>
template <class T>
 class compare
 {
  public:
  bool equal(T t1, T t2)
  {
       return t1 == t2;
  }
};
   

template<>class compare<char *>  
{
public:
    bool equal(char* t1, char* t2)
    {
        return strcmp(t1, t2) == 0;
    }
};

然後我們希望可以這麼使用:

reee

這裡是無法編譯的，因為Stack不是Stack的父類，然而我們卻希望程式碼可以這麼工作，那我們就要定義轉換運算子了，Stack程式碼如下:

//shape.h
class Shape {

};
class Circle : public Shape {
};

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
    Stack<Circle*> pcircleStack;
    Stack<Shape*> pshapeStack;
    pcircleStack.push(new Circle);
    pshapeStack = pcircleStack;
    return 0;
}

//statck.h
template <class T> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
        template<class T2>  operator Stack<T2>();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

這樣，Stack或Stack就可以自動轉換為Stack或Stack,如果轉換的型別是Stack到Stack，編譯器會報錯。

🎜其他🎜🎜一個類別沒有模板參數，但是成員函數有模板參數，是可行的，代碼如下:🎜

template <class  T>  Stack<T>::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack<T>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

template <class T> template <class T2>  Stack<T>::operator Stack<T2>() {
    Stack<T2> StackT2;
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);
    }
    return StackT2;
}

🎜甚至可以把Util的equal聲明為static,代碼如下:🎜

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
    Stack<Circle*> pcircleStack;
    Stack<Shape*> pshapeStack;
    pcircleStack.push(new Circle);
    pshapeStack = pcircleStack;
    return 0;
}

🎜🎜🎜