C++模板编程（1）---类别模板Class Template

1. QT中创建控制台程序工程，创建完添加类TemplateStack

2. 如下修改3个自动生成的文件

2.1 模板类的使用main.cpp

2.2 TemplateStack.h

2.3 TemplateStack.cpp

2.4 允许结果

 

3. 类模板说明

    类Class可以针对一或多个类型被参数化。比如用来管理各种不同类型元素的容器类container classes就是典型例子。用类别模板class template可以做出包含各种类型的容器类。上面的堆栈模板TemplateStack就是一个例子。 

      上面的定义和声明虽然在两个不同的文件中，实际使用时还是一个文件（因为main文件中include是cpp）。

    上面的TemplateStack 是以标准库的类模板class Template vector<> 为基础做出来的，这样我们就可以不用考虑内存管理、copy构造函数，赋值运算符等等，从而把注意力放在这个类模板class template的界面上。

3.1 类模板的声明

    声明类模板class templates和 声明函数模板 function templates类似：在声明语句之前加一条语句，以任意标识符声明类型参数type paramters， 常用大写T标识：

template 

 在函数模板中相同的规则再次适用：关键词class可以代替关键词typename：

template 与上面的template 等价

    在类模板class template内部，T就像其他任意类型一样，可用来声明成员变量（member variable）和成员函数（member functions）。本例子TemplateStack中T用来声明vector<>所容纳的元素类型、声明一个接受T const& 的push()函数、以及声明一个返回类型为 T的top()函数。

    这个class的类型为TemplateStack, T是一个模板参数template parmeter。现在以这个类声明变量或函数时，都应写成TemplateStack。例如，可以如下声明copy构造函数和assignment运算符：

template

class TemplateStack{

...

TemplateStack(TemplateStack const&);  //copy构造函数

TemplateStack& operator= (TemplateStack const&); //assignment运算符

...

}；

然而如果只是需要class名称而不是class类型时，只需要Stack即可。构造函数和析构函数的声明就属于这种情况。

3.2 成员函数实现

为了定义类别模板class template的成员函数，我们必须指出它是个函数模板function template，且使用类模板class template的全称。因此TemplateStack的成员函数push()看起来像这样：

template

void TemplateStack:: push(T const& elem)

{

        elements.push_back(elem);

};

这里调用了vector的成员函数push_back(),把元素elem追加到elements尾端。

4. 类模板使用说明

    为了使用类模板class template 对象，必须明确指出其模板参数template argument。本例实现中

在main.cpp中声明了TemplateStack这样一个类型，表示在该类模板class template中T被替换为int。于是intStack称为这样一个对象object：内部使用“可容纳int数据为元素”的vector，并将被调用的任何成员函数都“以Int类型进行实例化”。stringStack同样的道理，与intStack相比只是模板参数类型从int换成了string。

运用typedef，可以方便地使用类模板class templates：

比如，typedef TemplateStack  IntStack;

IntStack istack[10];   // istack是一个“含有10 int stacks”的数组。

    模板参数Template arguments可以是任何参数，例如可以是指向float的指针，甚至是int stack：

    TemplateStack  floatPtrStack;    // stack of float pointers

    TemplateStack  > intStackStack;   // stack of stack

上面声明中 两个右括号之间必须插入一些空白符号，否则就使用了 》，导致语法错误。

5. 类模板Class Templates的特化（Specializations）

    可以针对某些特殊的template argument，对一个类型模板class template进行特化。类模板class template的特化与函数模板function template的重载类似，使你得以对某些特定类型进行程序代码优化，或修正某个特定类型的类模板class template实例中的错误行为。如果对一个class template进行特化，就必须特化其所有成员函数。

    要特化某个class template，必须以template<>开头声明此class，后面跟着希望特化的结果。特化类型（specialized type）将作为模板参数template argument，并在class名称之后直接写明：

template<>

class TemplateStack {

...

};

    对特化体(specialization)而言,每个成员函数都必须像常规的成员函数那样定义，每个T出现出都必须更换为特化类型（specialzied type）：

下面是类型模板class template特化的完整的范例：

在原有类的声明中加入新文件（需要注意的是这里包含的templateStack.h是上面的h头文件与cpp文件总和）

#ifndef TEMPLATECLASSSPECIALIZE_H

#define TEMPLATECLASSSPECIALIZE_H

#include 

#include 

#include 

#include "templateStack.h"

template <>

class TemplateStack {

private:

    std::deque elements;

public:

    void push(std::string const&);

    void pop();

    std::string top() const;

    bool empty() const {

        return elements.empty();

    }

};

void TemplateStack::push(std::string const& elem)

{

    elements.push_back(elem);

}

void TemplateStack::pop()

{

    if(elements.empty()) {

        throw std::out_of_range("emplateStack::pop():empty stack");

    }

    elements.pop_back();

}

std::string TemplateStack::top() const

{

    if(elements.empty()){

        throw std::out_of_range("TemplateStack::top():empty stack");

    }

    return elements.back();

}

#endif // TEMPLATECLASSSPECIALIZE_H

6. 类模板的偏序特化

类模板Class templates可以被偏序特化，或称局部特化。这使得特定情形下使用特定代码，但程序员保留了选择模板参数template parameters的能力。例如下面的类模板class template:

template

class MyClass{

...

};

以下几种形式的偏序特化都是合理的：

• 两个template paramter相同

template

class MyClass {

...

};

• 第二个类型为int

template

class MyClass {

...

};

• 两个template parameter均为指针类型

template

class MyClass {

...

};

以下例子示范分别使用哪种类模板class template:

MyClass mif; //使用MyClass

MyClass mff; //使用MyClass

MyClass mfi;  //使用MyClass

MyClass mp;    //使用MyClass

注意在实例化过程中，不能有歧义的情况发生，比如，

MyClass m; //错误，同时匹配MyClass和MyClass

MyClass mp;//错误，同时匹配MyClass和MyClass

7. 预设模板自变量Default Template Argument

    可以针对类模板定义其模板参数的默认值，这称为预设模板自变量default template arguments.

预设自变量参数的值可以引用前一步声明的模板参数。例如，在 Class TemplateStack<>中，可以把用来容纳元素的容器类型定义为第二个模板参数template parameter, 并使用std::vector<>作为其默认值。

具体工程实例如下，同样创建控制台程序。

//defaulttemplatearg.h

#ifndef DEFAULTTEMPLATEARG_H

#define DEFAULTTEMPLATEARG_H

#include 

#include 

template  >

class TemplateStack {

private:

    CONT elements;

public:

    void push(T const&);

    void pop();

    T top() const;

    bool empty() const {

        return elements.empty();

    }

};

template 

void TemplateStack::push(T const& elem)

{

    elements.push_back(elem);

}

template 

void TemplateStack::pop()

{

    if(elements.empty()) {

        throw std::out_of_range("pop() empty stack");

    }

    elements.pop_back();

}

template 

T TemplateStack::top() const

{

    if(elements.empty()) {

        throw std::out_of_range("top() empty stack");

    }

    return elements.back();

}

#endif // DEFAULTTEMPLATEARG_H

//main.cpp

#include 

#include 

#include 

#include 

#include "defaulttemplatearg.h"

int main(int argc, char *argv[])

{

    QCoreApplication a(argc, argv);

    try {

        TemplateStack intStack;

        TemplateStack > dblStack;

        intStack.push(8);

        std::cout << intStack.top() << std::endl;

        intStack.pop();

        dblStack.push(66.66);

        std::cout << dblStack.top() << std::endl;

        dblStack.pop();

        dblStack.pop();

    } catch (std::exception const& ex) {

        std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;

        return  EXIT_FAILURE;

    }

    return a.exec();

}

8. 总结

• 所谓类模板class template是“包含一个或多个尚未确定类型”的class。必须将具体类型当作模板参数template argument传入后才能使用类模板 class template。于是该类模板 class template 就以传入的指定类型，由编译器实例化并编译。
• 在类模板class template中，只有实际被调用的成员函数，才会被实例化。
• 可以针对特定类型，对模板类class template进行特化（sepcialize）。
• 可以针对某些特定类型，对模板类class template进行偏序特化（partially specialize）.
• 可以为模板参数template parameters定义默认值（default template argument），该预设自变量值可以引用前一步定义的模板参数template parameters。