C++ 类模板入门

Posted on 2020-04-20

C++ 除了支持函数模板，还支持类模板（Class Template）。函数模板中定义的类型参数可以用在函数声明和定义中，类模板中定义的类型参数可以用在类声明和实现中。类模板的目的同样是将数据的类型参数化。

声明类模板的语法为：

1
2
3

template<typename 类型参数1, typename 类型参数2, ...> class 类名 {
    // 
}

类模板和函数模板都是以 template 开头（当然也可以使用 class，目前来讲它们没有任何区别），后跟类型参数；类型参数不能为空，多个类型参数用逗号隔开。

一旦声明了类模板，就可以将类型参数用于类的成员函数和成员变量了。换句话说，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

假如我们现在要定义一个类来表示坐标，要求坐标的数据类型可以是整数、小数和字符串，例如：

x = 10、y = 10
x = 12.88、y = 129.65
x = "东经180度"、y = "北纬210度"

这个时候就可以使用类模板，请看下面的代码：

template<typename T1, typename T2> // 这里不能有分号
class Point {
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y) {}
public:
    T1 getX() const; // 获取 x 坐标
    void setX(T1 x); // 设置 x 坐标
    T2 getY() const; // 获取 y 坐标
    void setY(T2 y); // 设置 y 坐标
private:
    T1 m_x; // x 坐标
    T2 m_y; // y 坐标
}

x 坐标和 y 坐标的数据类型不确定，借助类模板可以将数据类型参数化，这样就不必定义多个类了。

注意：模板头和类头是一个整体，可以换行，但是中间不能有分号。

上面的代码仅仅是类的声明，我们还需要在类外定义成员函数。在类外定义成员函数时仍然需要带上模板头，格式为：

template<typename 类型参数1, typename 类型参数2, ...>
返回值类型 类名<类型参数1, 类型参数2, ...>::函数名(形参列表) {
    // 
}

下面就对 Point 类的成员函数进行定义：

template<typename T1, typename T2> // 模板头
T1 Point<T1, T2>::getX() const /* 函数头 */ {
    return m_x;
}

template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setX(T1 x) {
    m_x = x;
}

template<typename T1, typename T2>
T2 Point<T1, T2>::getY() const {
    return m_y;
}

template<typename T1, typename T2>
void Point<T1, T2>::setY(T2 y) {
    m_y = y;
}

请读者仔细观察代码，除了 template 关键字后面要指明类型参数，类名 Point 后面也要带上类型参数，只是不加 typename 关键字了。另外需要注意的是，在类外定义成员函数时，template 后面的类型参数要和类声明时一致。

使用类模板创建对象

上面的两段代码完成了类的定义，接下来就可以使用该类创建对象了。使用类模板创建对象时，需要指明具体的数据类型。请看下面的代码：

1
2
3

Point<int, int> p1(10, 20);
Point<int, float> p2(10, 15.5);
Point<float, char*> p3(12.4, "东经180度");

与函数模板不同的是，类模板在实例化时必须显式地指明数据类型，编译器不能根据给定的数据推演出数据类型。

除了对象变量，我们也可以使用对象指针的方式来实例化：

1 2	Point<float, float> p1 = new Point<float, float>(10.6, 109.3); Point<char, char> p = new Point<char, char>("东经180度", "北纬210度");

需要注意的是，赋值号两边都要指明具体的数据类型，且要保持一致。下面的写法是错误的：

// 赋值号两边的数据类型不一致
Point<float, float> *p = new Point<float, int>(10.6, 109);
// 赋值号右边没有指明数据类型
Point<float, float> *p = new Point(10.6, 109);

综合示例

将上面的类定义和类实例化的代码整合起来，构成一个完整的示例，如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T1, class T2> // 这里不能有分号
class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y) {}
public:
    T1 getX() const; // 获取 x 坐标
    void setX(T1 x); // 设置 x 坐标
    T2 getY() cosnt; // 获取 y 坐标
    void setY(T2 y); // 设置 y 坐标
private:
    T1 m_x; // x 坐标
    T2 m_y; // y 坐标
};

template<class T1, class T2> // 模板头
T1 Point<T1, T2>::getX() const /* 函数头 */ {
    retrun m_x;
}

template<class T1, class T2>
void Point<T1, T2>::setX(T1 x) {
    m_x = x;
}

template<class T1, class T2>
T2 Point<T1, T2>::getY() const {
    return m_y;
}

template<class T1, class T2>
void Point<T1, T2>::setY(T2 y) {
    m_y = y;
}

int main() {
    Point<int, int> p1(10, 20);
    cout << "x=" << p1.getX() << ", y=" << p1.getY() << endl;

    Point<int, char*> p2(10, "东经180度");
    cout << "x=" << p2.getX() << ", y=" << p2.getY() << endl;

    Point<char*, char*> *p3 = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");
    cout << "x=" << p3->getX() << ", y=" << p3->getY() << endl;

    return 0;
}

运行结果：

1
2
3

x=10, y=20
x=10, y=东经180度
x=东经180度, y=北纬210度

在定义类型参数时，我们使用了 class，而不是 typename，这样做的目的是让读者对两种写法都熟悉。

用类模板实现可变长数组：

#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;

template<class T>
class CArray
{
    int size;  // 数组元素的个数
    T *ptr;    // 指向动态分配的数组

public:
    CArray(int s = 0); // s 代表数组元素的个数
    CArray(CArray &a);
    ~CArray();
    void push_back(const T &v); // 用于在数组尾部添加一个元素 v
    CArray & operator=(const CArray &a); // 用于数组对象间的赋值
    int length() { return size; }
    T & operator[](int i )
    {
        // 用以支持根据下标访问数组元素，如 a[i] = 4; 和 n = a[i] 这样的语句
        return ptr[i];
    }
};

template<class T>
CArray<T>::CArray(int s): size(s)
{
    if (s == 0)
        ptr = NULL;
    else
        ptr = new T[s];
}

template<class T>
CArray<T>::CArray(CArray &a)
{
    if (!a.ptr) {
        ptr = NULL;
        size = 0;
        return;
    }
    ptr = new T[a.size];
    memcpy(ptr, a.ptr, sizeof(T) * a.size);
    size = a.size;
}

template<class T>
CArray<T>::~CArray()
{
    if(ptr) delete []ptr;
}

template<class T>
CArray<T> & CArray<T>::operator=(const CArray &a)
{
    // 重载运算符 =，使 = 坐边对象里存放的数组，大小和内容都和右边的对象一样
    if (this == &a) // 防止 a=a 这样的赋值导致出错
        return *this;
    if (a.ptr == NULL) {
        // 如果 a 里面的数组是空的
        if (ptr)
            delete []ptr;
        ptr = NULL;
        size = 0;
        return *this;
    }
    if (size < a.size) {
        // 空间不够大，需要分配新的空间
        if (ptr)
            delete []ptr;
        ptr = new T[a.size];
    }

    memcpy(ptr, a.ptr, sizeof(T) * a.size);
    size = a.size;
    return *this;
}

template<class T>
void CArray<T>::push_back(const T &v)
{
    // 在数组尾部添加一个元素
    if (ptr) {
        T *tmpPtr = new T[size + 1]; // 重新分配空间
        memcpy(tmpPtr, ptr, sizeof(T) * size);
        delete []ptr;
        ptr = tmpPtr;
    } else
        ptr = new T[1];
    ptr[size++] = v; // 加入新的数组元素
}

int main()
{
    CArray<int> a;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        a.push_back(i);
    }
    for (int i = 0; i < a.length(); ++i)
        cout << a[i] << " ";
    return 0;
}