函數(shù)模板

在設(shè)計(jì)程序中的函數(shù)時(shí)，可能會(huì)遇到函數(shù)中參數(shù)的類(lèi)型有差異，但需要實(shí)現(xiàn)的功能類(lèi)似的情形。函數(shù)重載可以處理這種情形。重載函數(shù)的參數(shù)表中，可以寫(xiě)不同類(lèi)型的參數(shù)，從而可以處理不同的情形。

函數(shù)模板的概念

為了提高效率，實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用，C++提供了一種處理機(jī)制，即使用函數(shù)模板。函數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)并不使用實(shí)際的類(lèi)型，而是使用虛擬的類(lèi)型參數(shù)。這樣可以不必為每種不同的類(lèi)型都編寫(xiě)代碼段。當(dāng)用實(shí)際的類(lèi)型來(lái)實(shí)例化這種函數(shù)時(shí)，將函數(shù)模板與某個(gè)具體數(shù)據(jù)類(lèi)型連用。編譯器將以函數(shù)模板為樣板，生成一個(gè)函數(shù)，即產(chǎn)生了模板函數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為函數(shù)模板實(shí)例化。函數(shù)模板實(shí)例化的過(guò)程由編譯器完成。程序設(shè)計(jì)時(shí)并不給出相應(yīng)數(shù)據(jù)的類(lèi)型，編譯時(shí)，由編譯器根據(jù)實(shí)際的類(lèi)型進(jìn)行實(shí)例化。

函數(shù)模板的示例

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
T abs(T x) {
    return x < 0 ? -x : x;
};

int main() {
    int n = -5;
    int m = 10;
    double d = -.5;
    float f = 3.2;
    
    cout << n << "的絕對(duì)值是：" << abs(n) << endl;//-5的絕對(duì)值是：5
    cout << m << "的絕對(duì)值是：" << abs(m) << endl;//10的絕對(duì)值是：10
    cout << d << "的絕對(duì)值是：" << abs(d) << endl;//-0.5的絕對(duì)值是：0.5
    cout << f << "的絕對(duì)值是：" << abs(f) << endl;//3.2的絕對(duì)值是：3.2

    return 0;
};

在主函數(shù)中，調(diào)用abs(n)時(shí)，編譯器根據(jù)實(shí)參n的類(lèi)型int，推導(dǎo)出模板中的類(lèi)型參數(shù)T為int，然后實(shí)例化函數(shù)模板，生成函數(shù)模板abs的一個(gè)實(shí)例：

int abs(int x) {
    return x < 0 ? -x : x;
};

這個(gè)實(shí)例即是模板函數(shù)。

當(dāng)調(diào)用abs(d)時(shí)，根據(jù)實(shí)參d的類(lèi)型double，又實(shí)例化一個(gè)新的函數(shù)：

double abs(double x) {
    return x < 0 ? -x : x;
};

這是另一個(gè)模板函數(shù)。

實(shí)際上，函數(shù)模板不是一個(gè)具體的函數(shù)，編譯器不能為其生成可執(zhí)行代碼。定義函數(shù)模板后只是一個(gè)對(duì)函數(shù)功能框架的描述，當(dāng)它具體執(zhí)行時(shí)，將根據(jù)傳遞的實(shí)參決定其功能。

雖然函數(shù)模板的使用形式與函數(shù)類(lèi)似，但二者有本質(zhì)的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1. 函數(shù)模板本身在編譯時(shí)不會(huì)生成任何目標(biāo)代碼，只有當(dāng)通過(guò)模板生成具體的函數(shù)實(shí)例時(shí)才會(huì)生成目標(biāo)代碼。
2. 被多個(gè)源文件引用的函數(shù)模板，應(yīng)當(dāng)連同函數(shù)體一同放在頭文件中，而不能像偶同函數(shù)那樣只將生命放在頭文件中。
3. 函數(shù)指針也只能指向模板的實(shí)例，而不能指向模板本身。

函數(shù)或函數(shù)模板調(diào)用語(yǔ)句的匹配順序

函數(shù)與函數(shù)模板也是允許重載的。在函數(shù)和函數(shù)模板名字相同的情況下，一條函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句到底應(yīng)該被匹配成對(duì)哪個(gè)函數(shù)或哪個(gè)模板的調(diào)用呢？C++編譯器遵循以下先后順序。

1. 先找參數(shù)完全匹配的普通函數(shù)（不是由模板實(shí)例化得到的模板函數(shù)）。
2. 再找參數(shù)完全匹配的模板函數(shù)。
3. 然后找實(shí)參經(jīng)過(guò)自動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換后能夠匹配的普通函數(shù)。
4. 如果上面的都找不到，則報(bào)錯(cuò)。

類(lèi)模板

類(lèi)模板概念

通過(guò)類(lèi)模板，可以實(shí)例化一個(gè)個(gè)的類(lèi)。繼承機(jī)制也是在系列的類(lèi)之間建立某種聯(lián)系，這兩種涉及多個(gè)類(lèi)的機(jī)制是有很大差異的。類(lèi)是相同類(lèi)型事物的抽象，有繼承關(guān)系的類(lèi)可以具有不同的操作。而模板是不同類(lèi)型的事物具有相同的操作，實(shí)例化后的類(lèi)之間沒(méi)有聯(lián)系，相互獨(dú)立。

聲明類(lèi)模板的一個(gè)格式如下：

template <模板參數(shù)表>
class 類(lèi)模板名 {
    類(lèi)體定義
};

其中，模板參數(shù)表的形式與函數(shù)模板中的模板參數(shù)表完全一樣。類(lèi)體定義與普通類(lèi)的定義幾乎相同，只是在它的成員變量和成員函數(shù)中通常要用到模板的類(lèi)型參數(shù)。

類(lèi)模板的成員函數(shù)既可以在類(lèi)體內(nèi)進(jìn)行說(shuō)明，也額可以在類(lèi)體外進(jìn)行說(shuō)明。如果在類(lèi)體內(nèi)定義，則自動(dòng)成為內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如果需要在類(lèi)模板以外定義其成員函數(shù)，則要采用以下格式：

template <模板參數(shù)表>
返回類(lèi)型名 類(lèi)模板名<模板參數(shù)標(biāo)識(shí)符列表>::成員函數(shù)名(參數(shù)表) {
    函數(shù)體
};

類(lèi)模板聲明本身并不是一個(gè)類(lèi)，它說(shuō)明了類(lèi)的一個(gè)家族。只有當(dāng)被其他代碼引用時(shí)，模板才根據(jù)引用的需要生成具體的類(lèi)。

不能使用類(lèi)模板來(lái)直接生成對(duì)象，因?yàn)轭?lèi)型參數(shù)是不確定的，必須先為模板參數(shù)指定實(shí)參，即模板要實(shí)例化后，才可以創(chuàng)建對(duì)象。也就是說(shuō)，當(dāng)使用類(lèi)模板創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，要隨類(lèi)模板名給出對(duì)應(yīng)于類(lèi)型形參或普通形參的具體實(shí)參，格式如下：

類(lèi)模板名 <模板參數(shù)表> 對(duì)象名1,...,對(duì)象名n;
//或是
類(lèi)模板名 <模板參數(shù)表> 對(duì)象名1(構(gòu)造函數(shù)實(shí)參),...,對(duì)象名n(構(gòu)造函數(shù)實(shí)參);

編譯器由類(lèi)模板生成類(lèi)的過(guò)程稱(chēng)為類(lèi)模板的實(shí)例化。由類(lèi)模板實(shí)例化得到的類(lèi)稱(chēng)為模板類(lèi)。

要注意的是，與類(lèi)型形參相對(duì)應(yīng)的實(shí)參是類(lèi)型名。

類(lèi)模板示例

二院組是常用的一種結(jié)構(gòu)?？梢远x兩個(gè)值的二院組，如平面坐標(biāo)系下點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)組成的二元組。還可以定義兩個(gè)字符串的二元組，如字典中單詞與釋義組成的二元組。還可以定義學(xué)生姓名及其成績(jī)的二元組。二元組的例子非常多，不勝枚舉。

如果要定義二元組類(lèi)，則需要根據(jù)組成二元組的類(lèi)型定義很多不同的類(lèi)。現(xiàn)在可以使用類(lèi)模板來(lái)解決問(wèn)題。

#include <ostream>
using namespace std;

template <class T>
class TestClass {
public:
    T buffer[10];
    T getData(int j);
};
template <class T>
T TestClass<T>::getData(int j) {
    return *(buffer + j);
};

int main() {
    TestClass<char> ClassInstA;//char取代T，從而實(shí)例化出具體的類(lèi)
    int i;
    char cArr[6] = "abcde";
    
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        ClassInstA.buffer[i] = cArr[i];
    }
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        char result = ClassInstA.getData(i);
        cout << result << " ";
    }
    cout << endl;
    
    TestClass<double> ClassInstF;//實(shí)例化為另外一個(gè)具體的類(lèi)
    double fArr[6] = {12.1, 23.2, 34.3, 45.4, 56.5, 67.6};
    
    for (i = 0; i < 6; i++) {
        ClassInstF.buffer[i] = fArr[i] - 10;
    }
    for (i = 0; i < 6; i++) {
        double result = ClassInstF.getData(i);
        cout << result << " ";
    }
    cout << endl;
    //2.1 13.2 24.3 35.4 46.5 57.6
    
    return 0;
};

類(lèi)模板與繼承

類(lèi)之間允許繼承，類(lèi)模板之間也允許繼承。具體來(lái)說(shuō)，類(lèi)模板和類(lèi)模板之間、類(lèi)模板和類(lèi)之間可以互相繼承，它們之間的常見(jiàn)派生關(guān)系有以下4中情況：

1. 普通類(lèi)繼承模板類(lèi)
2. 類(lèi)模板繼承普通類(lèi)
3. 類(lèi)模板繼承類(lèi)模板
4. 類(lèi)模板繼承模板類(lèi)

根據(jù)類(lèi)模板示例化的類(lèi)即是模板類(lèi)。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

template <class T>
class TBase {
public:
    T data1;
    void Print() {
        cout << "TBase::" << data1 << endl;
    };
};

template <class T1, class T2>
class TDerievd : public TBase<T1> {
public:
    T2 data2;
    void Print() {
        TBase<T1>::Print();
        cout << "TDerived::" << data2 << endl;
    };
};

int main() {
    TDerived<int, int> d;//類(lèi)模板實(shí)例化，并聲明對(duì)象d
    d.data1 = 5;
    d.data2 = 8;  
    d.Print();
    //TBase::5
    //TDerived::8
    
    TDerived<string, string> d2;
    d2.data1 = "happy";
    d2.data2 = "new year";
    d2.Print();
    //TBase::happy
    //TDerived::new year
    
    TDerived<int, string> d3;
    d3.data1 = "2020";
    d3.data2 = "new year";
    d3.Print();
    //TBase::2020
    //TDerived::new year

    return 0;
};