1 C++提高——模板

继续看B站黑马程序员《C++教程》课程！这个专栏是第三阶段的c++提高编程内容！

本阶段主要针对c++泛型编程和STL计技术做详细讲解，探讨c++更深层的使用！

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目录

1 模板的概念

2 函数模板

2.1 函数模板语法

2.2 函数模板注意事项

2.3 函数模板案例

2.4 普通函数和函数模板的区别

2.5 普通函数与函数模板的调用规则

2.6 模板的局限性

3 类模板

3.1 类模板语法

3.2 类模板与函数模板区别

3.3 类模板中成员函数创建时机

3.4 类模板对象做函数参数

3.5 类模板与继承

3.6 类模板成员函数类外实现

3.7 类模板分文件编写

3.8 类模板与友元

3.9 类模板案例

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1 模板的概念

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性。

模板的特点：

• 模板不可以直接使用，只是一个框架。
• 模板的通用并不是万能的。

2 函数模板

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

2.1 函数模板语法

函数模板的作用：

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

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：通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

使用函数模板的方式：

• 自动类型推导
• 显示指定类型

示例：

//交换两个整型函数
void swapInt(int &a, int &b)
{int temp = a;a = b;b = temp;
}//交换两个浮点型函数
void swapDouble(double &a, double &b)
{double temp = a;a = b;b = temp;
}//函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}void test1()
{int a = 10;int b = 20;double c = 1.1;double d = 2.2;swapInt(a, b);swapDouble(c, d);cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;cout << "d = " << d << endl;
}void test2()
{int a = 10;int b = 20;//利用函数模板进行交换有两种方式：//方式一、自动类型推导mySwap(a, b);cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;//方式二、显示指定类型mySwap<int>(a, b);cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;
}int main()
{test1();test2();return 0;
}

2.2 函数模板注意事项

• 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

示例：

template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}//自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T才可以使用
void test()
{int a = 10;int b = 20;char c = 'c';mySwap(a, b);//mySwap(a, c);    //错误！推导不出一致的数据类型。
}int main()
{test();return 0;
}

template<typename T>
void func()
{cout << "This is a test!" << endl;
}//模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
void test()
{//func();    //错误func<int>();
}int main()
{test();return 0;
}

2.3 函数模板案例

案例描述：

• 利用函数模板封装一个排序函数，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

//交换函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b)
{T temp = a;a = b;b = temp;
}//选择排序函数模板
template<typename T>
void mySort(T arr[], int len)
{for (int i = 0 ; i < len; i++)    {int max = i; //最大值下标for (int j = i + 1; j < len; j++){//认定的最大值比遍历出的数值要小，说明j下标的元素才是真正的最大值if (arr[max] < arr[j]){max = j;}}//若一轮遍历后的max不等于i，就交换max和iif (max != i){mySwap(arr[max], arr[i]);}}
}//打印函数模板
template<typename T>
void printArray(T arr[], int len)
{for (i = 0; i < len; i++){cout << arr[i] << "";}cout << endl;
}//测试char数组
void test1()
{char charArr[] = "hrwghqeg";int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);mySort(charArr, num);printArray(charArr, num);
}//测试int数组
void test2()
{int intArr[] = {9, 1, 4, 6, 7, 2, 3, 5};int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);mySort(intArr, num);printArray(intArr, num);
}int main()
{test1();test2();return 0;
}

2.4 普通函数和函数模板的区别

• 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

示例：

int myAdd1(int a, int b)
{return a + b;
}template<typename T>
T myAdd2(T a, T b)
{return a + b;
}void test()
{int a = 10;int char b = 'b';    //ascii码值对应98cout << myAdd1(a, b) << endl; //输出108//自动类型推导//cout << myAdd2(a, b) << endl;     //错误，没法推导出一致的数据类型//显示指定类型cout << myAdd2<int>(a, b) << endl;  //正确，发生了隐式类型转换
}int main()
{test();return 0;
}

2.5 普通函数与函数模板的调用规则

调用规则：

• 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
• 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
• 函数模板也可以发生函数重载
• 如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板

示例：

void myPrint01(int a, int b);void myPrint02(int a, int b)
{cout << "调用普通函数！" << endl;
}template<typename T>
void myPrint01(T a, T b)
{cout << "调用函数模板！" << endl; 
}template<typename T>
void myPrint02(T a, T b)
{cout << "调用函数模板！" << endl; 
}template<typename T>
void myPrint02(T a, T b, T c)
{cout << "调用重载的函数模板！" << endl; 
}void test()
{int a = 10;int b = 20;//myPrint01(a, b);   //优先调用普通函数，但是普通函数没实现，这里会报错myPrint02(a, b);     //优先调用普通函数myPrint01<>(a, b);   //通过空模板参数列表，强制调用函数模板myPrint02<>(a, b);   //通过空模板参数列表，强制调用函数模板myPrint02(a, b, 100);     //函数模板也可以发生函数重载char c1 = 'a';char c1 = 'b';myPrint02(c1, c1);    //产生更好的匹配，优先调用函数模板
}int main()
{test();return 0;
}

2.6 模板的局限性

• 模板的通用性并不是万能的。

例如：

template<typename T>
void func(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<typename T>
void func(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：

class Person
{
public:Person(string name,int age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}string m_Name;int m_Age;
};//对比两个数据是否相等的函数
template<class T>
bool myCompare(T &a, T &b)
{if (a == b){return true;}else{return false;}
}//利用具体化的Person版本来实现代码
template<> bool myCompare(Person &p1, Person &p2)
{if (p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age){return true;}else{return false;}
}void test1()
{int a = 10;int b = 20;bool ret = myCompare(a, b);if (ret){cout << "a == b" << endl;}else{cout << "a != b" << endl;}
}void test2()
{Person p1("Tom", 10);Person p2("Tom", 10);bool ret = myCompare(p1, p2);if (ret){cout << "p1 == p2" << endl;}else{cout << "p1 != p2" << endl;}
}int main()
{test1();test2();return 0;
}

3 类模板

3.1 类模板语法

类模板作用：

• 建立一个通用类，类中的长远数据类型可以不具体指定，用一个虚拟的类型来代表。

语法：

template<typename T>

类

解释：

• template：声明创建模板
• typename：表明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：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout << "name = " << this->m_Name << endl;cout << "age = " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};void test()
{Person<string, int> p("孙悟空", 999);p.showPerson();
}int main()
{test();return 0;
}

3.2 类模板与函数模板区别

• 类模板没有自动类型推导的使用方式。
• 类模板在模板参数列表中可以有默认参数。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;template<class NameType, class AgeType>
class Person1
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout << "name = " << this->m_Name << endl;cout << "age = " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};//默认参数
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person2
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout << "name = " << this->m_Name << endl;cout << "age = " << this->m_Age << endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};void test1()
{//Person1 p("孙悟空", 999);    //错误，没有自动类型推导Person1<string, int> p("孙悟空", 999);    //正确，只能用显示指定类型p.showPerson();
}void test2()
{Person2<string> p("猪八戒", 999);p.showPerson();
}int main()
{test1();test2();return 0;
}

3.3 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

class Person1
{
public:void showPerson1(){cout << "Person1 show" << endl;}
};class Person2
{
public:void showPerson2(){cout << "Person2 show" << endl;}
};template<class T>
class myClass
{
public://类模板中的成员函数void func1(){obj.showPerson1();}void func2(){obj.showPerson2();}T obj;
};

此段示例代码可以编译成功，因为类模板中的成员函数一开始不会创建，在调用时才创建。

接下段示例代码：

void test()
{myClass<Person1> m;m.func1();//m.func2(); //错误，因为func2不是Person1的成员函数
}int main()
{test();return 0;
}

3.4 类模板对象做函数参数

类模板实例化出的对象，向函数传参有三种传入方式：

• 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

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 << endl;cout << "年龄：" << this->m_Age << endl;}T1 m_Name;T2 m_Age;
};//方式一：指定传入类型, 直接显示对象的数据类型
void printPerson1(Person<string, int>&p)
{p.showPerson();
}//方式二：参数模板化，将对象中的参数变为模板进行传递
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>&p)
{p.showPerson();//查看数据类型cout << "T1的数据类型为：" << typeid(T1).name() << endl;cout << "T2的数据类型为：" << typeid(T2).name() << endl;
}//方式三：整个类模板化：将这个对象类型模板化进行传递
template<class T>
void printPerson3(T &p)
{p.showPerson();cout << "T的数据类型为：" << typeid(T).name() << endl;
}void test()
{Person<string, int> p("孙悟空", 100);printPerson1(p);printPerson2(p);printPerson3(p);
}int main()
{test();return 0;
}

3.5 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，子类在声明时，需要指定出父类中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，子类也需要变为类模板

template<class T>
class Base
{T m;
};//class Son1: public Base    //错误，c++编译需要给子类分配内存，必须知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son1: public Base<int> //必须指定出具体的类型
{
};//如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需要变为类模板
template<class T1, class T2>
class Son2: public Base<T2>
{
public:Son2(){cout << "T1的数据类型为：" << typeid(T1).name() << endl;cout << "T2的数据类型为：" << typeid(T2).name() << endl;}T1 obj;
};void test()
{Son1 s1;Son2<int, char> s2;
}int main()
{test();return 0;
}

3.6 类模板成员函数类外实现

#include <string>template<class T1, class T2>
class Person
{
public://成员函数类内声明Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};//构造函数类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}//成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名：" << this->m_Name << endl;cout << "年龄：" << this->m_Age << endl;
}

3.7 类模板分文件编写

类模板中的成员函数创建时机是在调用阶段，导致若分文件编写时链接不到，解决方式有两种：

• 直接包含.cpp源文件
• 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

示例：

person.hpp中代码：

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>using namespace std;template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 m_Name;T2 m_Age;
};template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{cout << "姓名：" << this->m_Name << endl;cout << "年龄：" << this->m_Age << endl;
}

main.cpp文件：

#include <iostream>
#include <string>
#include "person.hpp"using namespace std;void test()
{Person<string, int> p("Tom", 20);p.showPerson();
}int main()
{test();return 0;
}

3.8 类模板与友元

• 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

#include <string>template<class T1, class T2>
class Person;//方式二：全局函数类外实现：提前让编译器知道函数存在
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> &p)
{cout << "姓名：" << p.m_Name << endl;cout << "年龄：" << p.m_Age << endl;
}template<class T1, class T2>
class Person
{//方式一：全局函数类内实现friend void printPerson1(Person<T1, T2> &p){cout << "姓名：" << p.m_Name << endl;cout << "年龄：" << p.m_Age << endl;}//方式二：全局函数类外实现：要加一个空模板参数列表friend void printPerson2<>(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 test()
{Person<string, int> p("Jerry", 20);printPerson1(p);printPerson2(p);
}int main()
{test();return 0;
}

3.9 类模板案例

案例描述：实现一个通用的数组类，要求如下：

• 可以将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
• 构造函数可以传入数组的容量
• 提供对应的拷贝构造函数以及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

 示例：

myArray.hpp文件：

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>using namespace std;template<class T>
class myArray
{
public://有参构造函数myArray(int capacity){cout << "MyArray有参构造调用" << endl;this->m_Capacity = capacity;this->m_Size = size;this->pAddress = new T[this->m_Capacity];}//拷贝构造函数：防止浅拷贝问题myArray(const MyArray& arr){cout << "MyArray拷贝构造调用" << endl;this->m_Capacity = arr.capacity;this->m_Size = arr.size;//深拷贝this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];for (int i = 0; i < this->m_Size; i++){this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];}}//operator=：防止浅拷贝问题MyArray& operator=(const MyArray& arr){cout << "MyArray operator=调用" << endl;//比拷贝构造多一步：先判断原来堆区是否有数据，若有先释放if (this->pAddress != NULL){delete[] this->pAddress;this->pAddress = NULL;this->m_Capacity = 0;this->m_Size = 0;}//深拷贝this->m_Capacity = arr.capacity;this->m_Size = arr.size;this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];for (int i = 0; i < this->m_Size; i++){this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];}return *this;}//利用下标的方式访问数组中的元素T& operator[](int index){return this->pAddress[index];}//尾插法void Push_Back(const T &val){//判断容量是否已经等于大小if (this->m_Capacity == this->m_Size){cout << "已满，无法插入数据！" << endlreturn;}//在数组末尾插入数据this->pAddress[this->m_Size] = val;//更新数组大小this->m_Size++;}//尾删法void Pop_Back(){//让用户访问不到最后一个元素即可（逻辑删除）if (this->m_Size == 0){cout << "为空！无法删除！" << endlreturn;}//更新数组大小this->m_Size--;}//获取数组的容量int getCapacity(){return this->m_Capacity;}//获取数组的大小int getSize(){return this->m_Size;}//析构函数~myArray(){cout << "MyArray析构调用" << endl;if (this->pAddress != NULL){delete[] this->pAddress;this->pAddress = NULL;}}
private:T *pAddress;    //指针指向堆区开辟的真实数组int m_Capacity; //数组容量int m_Size;     //数组大小
};

main.cpp文件：

#include "MyArray.hpp"
#include <string>using namespace std;void printIntArr(MyArray<int> &arr)
{for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++){cout << arr[i] << endl;}
}void printPersonArr(MyArray<Person> &arr)
{for(int i = 0; i < arr.getSize(); i++){cout <<" 姓名：" << arr[i].m_Name << "年龄" << arr[i].m_Age << endl;}
}//测试创建删除是否成功
void test1()
{MyArray<int> arr1[5];MyArray<int> arr2(arr1);MyArray<int> arr3(100);arr3 = arr1;
}//测试函数功能
void test2()
{MyArray<int> arr1[5];for (int i = 0; i < 5; i++){arr1.Push_Back(i);}cout << "arr1的打印输出为：" << endl;printIntArr(arr1);cout << "arr1的容量为：" << arr1.getCapacity() << endl;cout << "arr1的大小为：" << arr1.getSize() << endl;MyArray<int> arr2(arr1);cout << "arr2的打印输出为：" << endl;printIntArr(arr2);arr1.Pop_Back();cout << "arr2尾删后：" << endl;cout << "arr2的容量为：" << arr2.getCapacity() << endl;cout << "arr2的大小为：" << arr2.getSize() << endl;
}class Person
{
public:Person() {};Person(string name, int age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}string m_Name;int m_Age;
};//测试自定义数据类型
void test3()
{MyArray<Person> arr[5](10);Person p1("孙悟空"， 99);Person p2("韩信"， 30);Person p3("妲己"， 18);Person p4("赵云"， 25);Person p5("安其拉"， 27);//利用尾插函数将数据插入到数组中arr.Push_Back(P1);arr.Push_Back(P2);arr.Push_Back(P3);arr.Push_Back(P4);arr.Push_Back(P5);//打印数组printPersonArray(arr);//输出容量cout << "arr的容量为：" << arr.getCapacity() << endl;//输出大小cout << "arr的大小为：" << arr.getSize() << endl;
}int main()
{test1();test2();test3();return 0;
}