掘根宝典之C++类模板大全

news/发布时间2024/5/15 12:42:55

1 类模板语法

类模板的作用：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>
模板类声明


解释：
template声明创建模板
typename表明其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T是通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

示例：

#include<iostream>
using namespace std;
//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Age = age;this->m_Name = name;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << "age: " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};void test01()
{Person<string, int> p1("孙悟空", 999);//先创建了<string,int>版本的类定义，再将括号里的东西传进去p1.showPerson();
}int main()
{test01();return 0;
}

运行结果是

name：孙悟空age：999

我们必须注意的一个点是仅在程序包含模板并不会生成模板类，必须请求实例化。也就是说，必须要将模板的泛型换为具体类型 

我们可能有点懵，来看个例子

#include<iostream>
using namespace std;
//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Age = age;this->m_Name = name;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << "age: " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};int main()
{int a=10;return 0;
}

上面这个例子没有生成类定义，他只是告诉编译器如何生成类定义 ，这一点和函数模板是相同的


2 类模板与函数模板的区别

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
2.类模板在模板参数列表中可以有默认参数

示例：//类模板与函数模板的区别

先看类模板的

template<class NameType, class AgeType = int> //指定默认参数
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Age = age;this->m_Name = name;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};void test01()
{//Person p("孙悟空", 1000);错误的，类模板无法用自动类型推导Person<string, int>p("孙悟空", 1000);//正确，只能用显式指定类型推导p.showPerson();
}void test02()
{Person<string>p("猪八戒", 999); //类模板在参数列表中有默认参数
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}

再来看函数模板的

#include<iostream>
using namespace std;//其实可以这么写template<class T=int>，但是不建议
template<class T>
void A(T a)
{cout << a << endl;
}
void B()
{A(3.0);//自动类型推断
}
int main()
{B();
}


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：

1，普通类中的成员函数一开始就可以创建
2，类模板中的成员函数在调用时才创建（因为我们写下模板类，只是告诉编译器如何去定义一个类，但是又不会创建类对象出来，只是一团虚的东西）

示例：

//类模板中成员函数的创建时机
class Person1
{
public:void showPerson1(){cout << "Person1 show" << endl;}
};class Person2
{
public:void showPerson2(){cout << "Person2 show" << endl;}
};template<class T>
class Myclass
{
public:T obj;//类模板中的成员函数在调用的时候才创建，所以不会报错void func1(){obj.showPerson1();}void func2(){obj.showPerson2();}
};void test01()
{Myclass<Person1>m;m.func1();//因为我们没有创建Person2的版本啊，所以也没有showPerson2这个函数啊//m.func2(); 无法调用
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


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：

指定传入的类型：直接显示对象的数据类型
参数模板化：将对象中的参数变为模板进行传递
整个类模板化：将这个对象类型模板化进行传递
示例：

//类模板对象做函数参数
template<class T1,class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name,T2 age){this->m_Age = age;this->m_Name = name;}void showPerson(){cout << "name: " << this->m_Name << " age:" << this->m_Age << endl;}T1 m_Name;T2 m_Age;
};//1、指定传入类型
void printPerson1(Person<string, int>&p)
{p.showPerson();
}
void test01()
{Person<string, int>p("孙悟空", 199);printPerson1(p);
}// 2、参数模板化
template<class T1,class T2>
void printPerson2(Person<T1,T2>&p)
{p.showPerson();cout << "T1的类型为:" << typeid(T1).name() << endl;cout << "T2的类型为:" << typeid(T2).name() << endl;
}
void test02()
{Person<string, int>p("猪八戒", 90);printPerson2(p);
}// 3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T &p)
{p.showPerson();cout << "T的类型为:" << typeid(T).name() << endl;
}
void test03()
{Person<string, int>p("唐僧", 60);printPerson3(p);
}int main()
{test01();test02();test03();system("pause");return 0;
}


运行结果：

注：使用比较广泛的是指定传入类型的传参方式

5 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意以下几点：

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，子类也需为类模板
示例：

//类模板与继承
template<class T>
class Base
{T m;
};//class Son: public Base //错误，必须要知道父类中的T类型，才能继承给子类
class Son :public Base<int>
{};void test01()
{Son s1;
}//如果想灵活指定父类中T的类型，子类也需要变成类模板
template<class T1,class T2>
class Son2 : public Base<T2>
{
public:Son2(){cout << "T1的类型为:" << typeid(T1).name() << endl;cout << "T2的类型为:" << typeid(T2).name() << endl;}T1 obj;
};void test02()
{Son2<int,char> s2;
}int main()
{test02();system("pause");return 0;
}


6 类模板成员函数类外实现

示例：

//类模板成员类外实现
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);/*{this->m_Name = name;this->m_Age = age;}*/void showPerson();/*{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;}*/T1 m_Name;T2 m_Age;
};//构造函数的类外实现
template<class T1,class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);p.showPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


7 类模板分文件编写

如果工程中需要利用多个类模板，那么将这些类模板都写在同一个文件中将会导致代码可读性变差，所以有必要对类模板进行分文件编写，但是类模板的分文件编写面临着一些问题，以下是类模板分文件编写面临的问题及解决方法。

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，并不是强制的
示例1：（未进行分文件编写）

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);/*{this->m_Name = name;this->m_Age = age;}*/void showPerson();/*{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;}*/T1 m_Name;T2 m_Age;
};//构造函数的类外实现
template<class T1,class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);p.showPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


实例2：（进行分文件编写,利用.cpp）

1.创建头文件person.h，写一些声明

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};


2.创建person.cpp，写具体实现

#include "person.h"//构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}


3.main函数编写
错误代码：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.h"void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);p.showPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


注：因为如果包含person.h文件，那么编译器将会看到person.h中的代码。但是由于类模板中的成员函数一开始是不创建的，导致编译器没有看到person.cpp中的代码，所以执行test01时，无法解析其中的代码。

正确代码：(不常用)

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.cpp"void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);p.showPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


注：就是将person.h文件改成了person.cpp代码。编译器首先看到了person.cpp文件，因为person.cpp文件中有person.h文件，编译器又看到了person.h文件，所以能够解析test01中的代码。但是一般很少直接包含.cpp文件的，所以这个方法不常用。

实例3：（分文件编写，利用.hpp）
将person.h和person.cpp的内容写到一起，并将后缀名改为.hpp，这是类模板分文件编写最常用的方式

1.编写person.hpp文件：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};//构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}


2.编写main函数

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.hpp"void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);p.showPerson();
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


8 类模板与友元

非模板友元

为模板类提供非模板友元函数，像下面这样子做就可以了

#include<iostream>
using namespace std;
void A(int a)//非模板友元函数
{cout << a << endl;
}
template<class T>
class AA
{
private:T a_;
public:AA(T a):a_(a){}friend void A(int a);//友元声明
};
int main()
{A(2);//正常使用//AA a(2);模板类不能自动类型推断AA<int> a(2);//OK
}

上面这个友元函数将成为所以模板实例化的友元 。例如它将是AA<float>和AA<char>等版本的友元函数。

假如我们要为友元函数提供模板类参数，可以像下面这样子做吗？

friend void A(AA&t);

答案是不行的，要提供模板类参数，必须指明具体化，像下面这两种做法都是可以的

template<class T>
class AA
{
friend void A(AA<T>&t);
friend void B(AA<int>&t);
....
}

 

模板类的约束模板友元函数

说白了就是来使类的每一个具体化都获得一个与友元匹配的具体化

全局函数类内实现：直接在类内声明友元即可
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

1.全局函数的类内实现


template<class T1, class T2>
class Person
{//全局函数类内实现friend void printPerson(Person<T1, T2> p){cout << "姓名:" << p.m_Name << " 年龄:" << p.m_Age << endl;}
public:Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}private:T1 m_Name;T2 m_Age;
};void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);printPerson(p);
}
int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


2.全局函数类外实现

//提前让编译器知道Person类的存在
template<class T1, class T2>
class Person;//类外实现
template<class T1, class T2>
void printPerson(Person<T1, T2> p)
{cout << "姓名:" << p.m_Name << " 年龄:" << p.m_Age << endl;
}template<class T1, class T2>
class Person
{//全局函数类外实现 //加空模板参数列表//如果全局函数是类外实现，需要让编译器提前知道这个函数的存在friend void printPerson<>(Person<T1, T2> p);
public:Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}private:T1 m_Name;T2 m_Age;
};void test01()
{Person<string, int>p("Tom", 30);printPerson(p);
}int main()
{test01();system("pause");return 0;
}


注：需要注意各个函数声明之间的顺序。在Person类模板中有友元的声明friend void printPerson<>(Person<T1, T2> p)，因为类模板中友元的类外实现需要让编译器提前知道这个函数，所以需要将printPerson函数写在前面。而printPerson函数中又涉及Person类，所以在printPerson函数前面需要提前声明Person类模板的存在。
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。

模板类的非约束模板友元函数

说白了就是每个函数具体化都是每个类具体化的友元。对于非约束友元，友元模板类型参数与模板类类型参数是不同的

template<class T>
class AA
{
.....
template<class A,class B>feiend void A(A&,B&);
.....
}

模板的具体化

隐式实例化

到目前为止，上面所有例子用的都是隐式实例化，即它们声明一个或多个对象，指出所需类型，而编译器使用通用模板提供的处方生成具体的类声明

AA<int> a;

需要注意的是：需要对象之前，不会生成类的隐式实例化。

AA<int>*t;
t=new AA<int>;
//第二句导致编译器生成类定义，并根据该定义创建一个对象

显式实例化

显式实例化声明必须位于模板定义所在的名称空间里。

格式大概是

template class 类模板名<具体类型>;

我们看个例子

#include<iostream>
using namespace std;
void A(int a)
{cout << a << endl;
}
template<class T>
class AA
{
private:T a_;
public:AA(T a):a_(a){}friend void A(int a);
};template class AA<int>;//注意不能放main函数里面int main()
{A(2);//AA a(2);AA<int> a(2);
}

显式具体化

显式具体化是指在类模板外部对类模板的特定类型进行具体化。通过显式具体化，我们可以为模板类给出特定类型的定义，以覆盖默认的通用定义。

以下是一个示例，展示如何显式具体化一个类模板：

// 定义一个类模板
template <typename T>
class MyTemplate {
public:MyTemplate(T value) : m_value(value) {}void print() {std::cout << "Generic template: " << m_value << std::endl;}private:T m_value;
};// 显式具体化模板类的特定类型
template<>
class MyTemplate<int> {
public:MyTemplate(int value) : m_value(value) {}void print() {std::cout << "Specialized template for int: " << m_value << std::endl;}private:int m_value;
};int main() {MyTemplate<double> obj1(3.14);obj1.print();  // 输出：Generic template: 3.14MyTemplate<int> obj2(42);obj2.print();  // 输出：Specialized template for int: 42return 0;
}

在上述示例中，定义了一个模板类 MyTemplate，它可以用于任意类型的参数 T。然后，通过显式具体化，我们为模板类 MyTemplate 的特定类型 int 提供了特殊化的定义，其中包含一个特定的成员函数 print，用于输出特定类型的值。

在 main 函数中，我们创建了两个 MyTemplate 的对象，一个是 MyTemplate&lt;double> 类型的，另一个是 MyTemplate&lt;int> 类型的。当调用它们的 print 成员函数时，将根据对象类型的特化定义，分别输出不同的结果。

这样，通过显式具体化，我们可以为特定类型提供自定义的定义，以满足特定的需求。

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