C++templates第二章类模板

Hoshea Zhang2023-11-022023-11-04

和函数类似，类也可以被一个或多个类型参数化，容器类就是典型的一个例子，它可以被用来处理某一指定类型的元素，通过使用类模板，你也可以实现适用于多种类型的容器类，本章用一个stack的例子来展示：

Stack类模板的实现

#include <vector> 
#include <cassert> 
template<typename T> 
class Stack 
{ 
private: 
    std::vector<T> elems; // elements 
public: 
    void push(T const& elem); // push element 
    void pop(); // pop element 
    T const& top() const; // return top element 
    bool empty() const { // return whether the stack is empty 
        return elems.empty(); 
    } 
}; 
template<typename T> 
void Stack<T>::push (T const& elem) 
{ 
    elems.push_back(elem); // append copy of passed elem 
} 
template<typename T> 
void Stack<T>::pop () 
{ 
    assert(!elems.empty()); 
    elems.pop_back(); // remove last element 
} 
template<typename T> 
T const& Stack<T>::top () const 
{ 
    assert(!elems.empty()); 
    return elems.back(); // return copy of last element 
}

声明一个类模板

声明类模板和声明函数模板类似：在开始定义具体内容之前，需要先声明一个或者多个作为模板的类型参数的标识符。同样地，这一标识符通常用 T 表示：

template<typename T> 
class Stack { 
   // … 
};
//在这里，同样可以用关键字 class 取代 typename： 
template<class T> 
class Stack { 
   // … 
};

在类模板内部，T 可以像普通类型一样被用来声明成员变量和成员函数。在这个例子中，T 被用于声明 vector 中元素的类型，用于声明成员函数 push()的参数类型，也被用于成员函数 top 的返回类型：

这个类的类型是 Stack，其中 T 是模板参数。在将这个 Stack类型用于声明的时候，除非可以推断出模板参数的类型，否则就必须使用 Stack（Stack 后面必须跟着）。不过，如果在类模板内部使用 Stack 而不是 Stack，表明这个内部类的模板参数类型和模板类的参数类型相同（细节请参见 13.2.3 节）。

比如，如果需要定义自己的复制构造函数和赋值构造函数，通常应该定义成这样：

template<typename T>
class Stack 
{ //… 
    Stack (Stack const&); // copy constructor 
    Stack& operator= (Stack const&); // assignment operator 
};

与如下定义等效：

template<typename T> 
class Stack { 
    //… 
    Stack (Stack<T> const&); // copy constructor 
    Stack<T>& operator= (Stack<T> const&); // assignment operator 
};

但是如果在类模板的外面，就需要这样定义：

1 2	emplate<typename T> bool operator== (Stack<T> const& lhs, Stack<T> const& rhs);

成员函数实现

定义类模板的成员函数时，必须指出它是一个模板，也必须使用该类模板的所有类型限制。因此，要像下面这样定义 Stack的成员函数 push():

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

再考虑一个back

template<typename T> 
T const& Stack<T>::top () const 
{ 
    assert(!elems.empty()); 
    return elems.back(); // return copy of last element 
}

类模板的使用

直到c++17，在使用类模板的时候都需要显式指明模版参数：

#include "stack1.hpp" 
#include <iostream> 
#include <string> 
int main() {
    Stack< int> intStack; // stack of ints 
    Stack<std::string> stringStack; // stack of strings 
    // manipulate int stack 
    intStack.push(7); 
    std::cout << intStack.top() << ’\n’; 
    // manipulate string stack
    stringStack.push("hello"); 
    std::cout << stringStack.top() << ’\n’; 
    stringStack.pop();
}

注意，模板函数和模板成员函数只有在被调用的时候才会实例化。这样一方面会节省时间和空间，同样也允许只是部分的使用类模板，我们会在 2.3 节对此进行讨论。

在 C++11 之前，在两个相邻的模板尖括号之间必须要有空格,如果你不这样做，>>会被解析成调用>>运算符，这会导致语法错误：

Stack<Stack< int>> intStackStack; // ERROR before C++11

友元

相比于通过 printOn()来打印 stack 的内容，更好的办法是去重载 stack 的 operator<<运算符。而且和非模板类的情况一样，operator<<应该被实现为非成员函数，在其实现中可以调用 printOn()：

template<typename T> 
class Stack 
{ 
    void printOn() (std::ostream& strm) const 
    {
    	//...
    }
    friend std::ostream& operator<< (std::ostream& strm, Stack<T> const& s) 
    { 
        s.printOn(strm); return strm; 
    } 
};

然而如果你试着先声明一个友元函数，然后再去定义它，情况会变的很复杂。

特例化

可以对类模板的某一个模板参数进行特化。和函数模板的重载（参见 1.5 节）类似，类模板的特化允许我们对某一特定类型做优化，或者去修正类模板针对某一特定类型实例化之后的行为。不过如果对类模板进行了特化，那么也需要去特化所有的成员函数。虽然允许只特例化模板类的一个成员函数，不过一旦你这样做，你就无法再去特化那些未被特化的部分了。

为了特化一个类模板，在类模板声明的前面需要有一个 template<>，并且需要指明所希望特化的类型。这些用于特化类模板的类型被用作模板参数，并且需要紧跟在类名的后面：

template<> 
class Stack<std::string> 
{ 
    //…
};

部分特例化

类模板可以只被部分的特例化。这样就可以为某些特殊情况提供特殊的实现，不过使用者还是要定义一部分模板参数。比如，可以特殊化一个 Stack<>来专门处理指针：

#include "stack1.hpp" 
// partial specialization of class Stack<> for pointers: 
template<typename T> 
class Stack<T*> 
{ 
Private: 
    std::vector<T*> elems; // elements 
public: 
    void push(T*); // push element 
    T* pop(); // pop element 
    T* top() const; // return top element 
    bool empty() const;
};

template<typename T> 
void Stack<T*>::push (T* elem) 
{ 
    elems.push_back(elem); // append copy of passed elem 
}

多模版参数的部分特例化

template<typename T1, typename T2> class MyClass 
{ 
    //… 
};

如下特例化都是可以的：

// partial specialization: both template parameters have same type 
template<typename T> 
class MyClass<T,T> { … }; 
// partial specialization: second type is int 
template<typename T> 
class MyClass<T,int> { … }; 
// partial specialization: both template parameters are pointer types 
template<typename T1, typename T2> 
class MyClass<T1*,T2*> { … };

如果有不止一个特例化的版本可以以相同的情形匹配某一个调用，说明定义是有歧义的

默认类模版参数

和函数模板一样，也可以给类模板的模板参数指定默认值。比如对 Stack<>，你可以将其用来容纳元素的容器声明为第二个模板参数，并指定其默认值是 std::vector<>:

template<typename T, typename Cont = std::vector<T>> 
class Stack 
{ 
private: 
    Cont elems; // elements 
public: 
    void push(T const& elem); // push element 
    void pop(); // pop element T 
    const& top() const; // return top element 
    bool empty() const { 
        // return whether the stack is empty
        return elems.empty(); 
    } 
};

类型别名

使用关键字typedef

typedef Stack<int> IntStack; // typedef
使用关键字using

using IntStack = Stack <int>; // alias declaration

类型推导

C++17之后，使用类模板时不一定需要显示指出所有的模版参数的类型了：

1
2
3

Stack< int> intStack1; // stack of strings 
Stack< int> intStack2 = intStack1; // OK in all versions 
Stack intStack3 = intStack1; // OK since C++17