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现如今,掌握 C++ 模板技巧并且熟练使用可以说是能力进阶的必备内容了。

在一些优秀的开源项目中经常能看到模板的使用,要是不了解其使用方法,对分析源码都会有些阻碍。

推荐阅读《C++ Templates 中文版》一书,或许可以让你对 C++ 模板有个更加系统的概念,同时辅助阅读网上相关的博客文章加深理解,在代码实践中去掌握提高。

C++ 模板主要可以分为函数模板和类模板,这次就是介绍它们两个。

函数模板

函数模板主要就是将它的参数用类型带代替,对每个不同的类型都会生成对应的函数,所以函数模板可以用多种不同的类型进行调用,它代表的其实是一个函数家族而不是一个函数。

以下是个简单的函数模板示例:

#include <iostream>

template <typename T>
T plus(T a,T b){
    return a+b;
}

// 使用引用类型,减少拷贝操作
template<typename T>
inline T const &max(T const &a, T const &b) {
    return a < b ? b : a;
}

int main() {
    plus(1.0, 1.0);
    plus(static_cast<int>(1.0), 2);
    plus<int>(2.0, 3.0);

    max(2,1);
    max(static_cast<int>(2.0),1);
    max<double>(2.0,3.0);
    return 0;
}

通常而言,并不是把模板编译成一个可以处理任何单一类型的单一实体,而是针对实例模板参数的每种类型,都从模板产生一个不同的实体。

针对上面的使用,整型和浮点型都生成了一个对应的函数。

对于函数模板的参数,是可以在调用时显示指定的,另外可以在调用时对类型做强制类型转换,这是因为模板不允许自动类型转换,所以需要我们手动来完成。

函数模板的重载

和普通函数一样,函数模板也可以重载,也就是相同函数名称可以具有不同的函数定义。

inline int const &max(int const &a, int const &b) {
    return a < b ? b : a;
}

template<typename T>
inline T const &max(T const &a, T const &b) {
    return a < b ? b : a;
}

template<typename T>
inline T const &max(T const &a, T const &b, T const &c) {
    return ::max(::max(a,b),c);
}

如上所示,一个非函数模板可以合一个同名的函数模板同时存在,而且该函数模板还可以被实例化为这个非函数模板。

对于非函数模板和同名的函数模板,如果其他条件都相同的话,那么在调用的时候,重载解析过程通常会调用非函数模板,而不会从该模板产生一个实例。

对于函数的重载,一般来说改变的内容最好是下面两种情况:

  • 改变参数的数目
  • 显示地指定模板参数

遵循以上两点,避免在重载函数调用过于复杂,从而导致匹配出差。

类模板

与函数模板相似,类可以被一种或者多种类型参数化。

以下代码是一个简单的类模板示例:

template<typename T>
class Stack {
private:
    std::vector<T> elems;
public:
        void push(T const&);
        void pop();
        T top() const;
        bool empty() const{
            return elems.empty();
        }
};

template<typename T>
void Stack<T>::push(const T & elem) {
    elems.push_back(elem);
}

template<typename T>
void Stack<T>::pop() {
    if (!elems.empty()){
        elems.pop_back();
    }
}

template<typename T>
T Stack<T>::top() const {
    if (!elems.empty()){
        return elems.back();
    }
    throw std::out_of_range("Stack::top(); empty Stack");
}

int main() {
    Stack<int> intStack;
    intStack.push(1);
    intStack.top();
    intStack.pop();
    return 0;
}

类模板的声明和函数模板声明很类似,在声明之前都用 typename 声明作为类型参数的标识符。

在定义类模板的成员函数时,关于成员函数的实现,可以在类声明里面去实现,也可以放到外面去实现。

如果是在类外面声明的,那么必现要指定该成员函数是一个函数模板,而且还需要使用这个类模板的完整类型限定符。

另外,只有那些被调用的成员函数,才会产生这些函数的实例化代码。

类模板的特化

可以使用模板实参来特化类模板。

和函数模板的重载类似,通过特化类模板,可以优化基于某种特定类型的实现,或者克服某种特定类型在实例化类模板时所出现的不足。

另外,如果要特化一个类模板,还要特化该类模板的所有成员函数。虽然也可以只特化某个成员函数,但这个做法并没有特化整个类,也就没有特化整个类模板。

为了特化一个类模板,必须在起始处声明一个 template<> ,接下来声明用特化类模板的类型。

如下代码所示:

template<>
class Stack<std::string> {
private:
        std::deque<std::string> elems;
public:
        void push(std::string const&);
        void pop();
        std::string top() const;
        bool empty() const{
            return elems.empty();
        }
};

void Stack<std::string>::push(const std::string &elem) {
    elems.push_back(elem);
}

void Stack<std::string>::pop() {
    if (!elems.empty()){
        elems.pop_back();
    }
}

std::string Stack<std::string>::top() const {
    if (!elems.empty()){
        return elems.back();
    }
    throw std::out_of_range("Stack<std::string>::top(); empty Stack");
}

int main() {
    Stack<std::string> stringStack;
    intStack.push("string");
    intStack.top();
    intStack.pop();
    return 0;
}

进行类模板的特化时,每个成员函数都必须重新定义为普通函数,原来函数模板中的每个 T 也相应地被进行特化的类型取代。

局部特化

上面的特化可以称之为全特化,另外类模板还可以局部特化,在特定的环境下制定类模板的实现,并且要求某些模板参数仍然必须由用户来定义。

如下代码所示:

template<typename T1,typename T2>
class MyClass{

};

// 局部特化,两个模板参数具有相同的类型
template<typename T>
class MyClass<T,T>{

};

// 局部特化, 第二个模板参数的类型是 int
template<typename T>
class MyClass<T,int>{

};

// 局部特化,两个模板参数都是指针类型
template<typename T1,typename T2>
class MyClass<T1*,T2*>{

};

对于局部特化,其成员函数同样要指定是模板函数,并且要使用特化后的类模板完整类型限定符。

缺省模板实参

对于类模板,可以为类模板参数定义默认值。这些值就被称为缺省模板实参,而且它们还可以引用之前的目标参数。

如下代码所示:

template <typename T,typename CONT = std::vector<T> >
class MyStack{
private:
    CONT elems;
public:
    void push(T const&);
    void pop();
    T top() const;
    bool empty() const{
        return elems.empty();
    }
};

template<typename T, typename CONT>
void MyStack<T, CONT>::push(const T &elem) {
    elems.push_back(elem);
}

template<typename T, typename CONT>
void MyStack<T, CONT>::pop() {
    if (!elems.empty()){
        elems.pop_back();
    }
}

template<typename T, typename CONT>
T MyStack<T, CONT>::top() const {
    if (!elems.empty()){
        return elems.back();
    }
    throw std::out_of_range("MyStack<>::top(); empty Stack");
}

int main() {
    MyStack<int> intMyStack;
    intMyStack.push(1);
    intMyStack.top();
    intMyStack.pop();

    MyStack<double, std::deque<double>> doubleMyStack;
    doubleMyStack.push(0.1);
    doubleMyStack.top();
    doubleMyStack.pop();
    return 0;
}

以上代码中,如果不传递第二个模板参数,那么就使用默认的 vector 来管理元素。如果传了,就使用指定的类型来管理元素。

小结

以上就是关于 C++ 模板中函数模板和类模板的小总结,基本上还是很容易理解的,就是用模板参数 T 代替具体的类型,并且还可以对函数模板进行重载,对类模板进行特化,类模板还可以指定默认类型参数。

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