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C++模板编程—学习C++类库的编程基础

news 2025/8/4 21:35:04

课程总目录

文章目录

一、详解函数模板
二、类模板
三、类模板实践：实现向量容器vector
四、理解容器空间配置器allocator的重要性

一、详解函数模板

模板的意义：对类型也可以进行参数化了

// 也可以用template<class T>，但class容易和类混淆，我们都用typename
template<typename T>	// 模板参数列表
bool compare(T a, T b)	// compare是一个函数模板
{cout << "template compare" << endl;return a > b;
}/*
调用点实例化出来的模板函数
bool compare<int>(int a, int b)
{return a > b;
}bool compare<double>(double a, double b)
{return a > b;
}
*/int main()
{// 函数的调用点compare<int>(10, 20);compare<double>(10.5, 20.5);// 函数模板实参推演compare(20, 20); 	 // 还是用的刚才实例化的compare<int>// compare(30, 40.5); // 错误，推演不出来是什么类型// 解决方法一：template<typename T, typename E>，a和b用两个类型，各推各的// 解决方法二：compare<int>(30, 40.5)，double强转成int
}

函数模板：不进行编译，因为类型还不知道

模板函数：在函数调用点，编译器用程序员指定的类型，从原模板实例化一份函数代码出来这就叫做模板函数，这是实例化出来真正需要进行编译的函数，因此站在编译器的角度来看，待编译的函数并没有减少，只是我们编写的代码量减少了。
同时，实例化出来的模板函数在.o文件符号表中产生相应的符号，每个函数名的符号只能出现一次

来看看字符串的情况 （模板的特例化）：

// 针对compare函数模板，提供const char*类型的特例化版本
template<>	// 要写上
bool compare(const char* a, const char* b)
{cout << "compare<const char*>" << endl;return strcmp(a, b) > 0;
}
// 模板特化不需要在函数名后面加上类型参数
// 即别写成compare<const char*>int main()
{// 推演T为const char*，字符串 > 代表的是比较两个常量的地址，要用strcmp才能比较字符串的字典顺序// 对于某些类型来说，依赖编译器默认实例化的模板代码，代码处理逻辑是错误的// 这时候，就需要我们进行模板的特例化了，这不是编译器提供的，而是程序员提供的compare("aaa", "bbb");compare<const char*>("aaa", "bbb");// 这两种写法都是对的
}

当然，非模板函数（普通函数）优先被调用

//非模板函数 - 普通函数
bool compare(const char* a, const char* b)
{cout << "normal compare" << endl;return strcmp(a, b) > 0;
}int main()
{// 这时候就调用普通函数了，不调用模板函数了compare("aaa", "bbb");// 调用模板函数compare<const char*>("aaa", "bbb");
}

编译器优先把compare处理成函数名字，没有的话，才去找compare模板特例化，如果没有特例化，才进行模板的实例化

分文件编写：

模板代码是不能在一个文件中定义，在另一个文件中使用的，否则链接的时候会出现错误

比如在test.cpp中存放模板代码，在main.cpp中声明，这是不可以的，因为声明产生的符号是*UND*，而在test.cpp中只有模板，模板本身是不编译的，没有模板实例化出来的compare<int>等函数，所以不可以

模板代码调用之前，一定要看到模板定义的地方，这样的话，模板才能进行正常的实例化，产生能够被编译器编译的代码。

所以，模板代码都是放在头文件.h当中的，然后在原文件当中直接进行#include包含

模板的非类型参数：

必须是整数类型（整数或者地址/引用都可以）是常量，只能使用，而不能修改

模板不仅可以接受类型参数typename T，还可以接受非类型参数。这些非类型参数可以是整型、指针、引用等。它们在编译时是常量，只能使用，不能修改

示例代码：

template <int N>
class Array {
public:int arr[N];int size() const { return N; }
};int main() {Array<5> myArray; // 创建一个包含5个整数的数组cout << "Array size: " << myArray.size() << endl;return 0;
}

// 使用模板实现冒泡排序
template <typename T, int N>
void bubbleSort(T* arr) {for (int i = N - 1; i >= 1; --i){int flag = 0;for (int j = 1; j <= i; ++j){if (arr[j - 1] > arr[j]){T temp = arr[j];arr[j] = arr[j - 1];arr[j - 1] = temp;flag = 1;}}if (flag == 0)return;}
}int main() {int arr[] = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };const int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);// 调用冒泡排序模板函数bubbleSort<int, size>(arr);cout << "排序后的数组: ";for (int i : arr)cout << i << " ";cout << endl;return 0;
}

二、类模板

类模板 $\to$ 实例化 $\to$ 模板类
类名称 = 模板名称 + 类型参数列表
为了简化，构造和析构函数不用加<T>，其他出现模板的地方都要加上
类模板可以设置默认类型参数，实例化的时候只用写SeqStack<>就行了

//template<typename T = int> // 类模板可以设置默认类型参数
template<typename T>
class SeqStack
{
public:SeqStack(int size = 10):_pstack(new T[size]), _top(0), _size(size){}~SeqStack(){delete[]_pstack;_pstack = nullptr;}SeqStack(const SeqStack<T>& stack):_top(stack._top), _size(stack._size){_pstack = new T[_size];for (int i = 0; i < _top; i++)_pstack[i] = stack._pstack[i];}SeqStack<T>& operator=(const SeqStack<T>& stack){// 防止自赋值if (this == &stack)return *this;delete[]_pstack;_top = stack._top;_size = stack._size;_pstack = new T[_size];for (int i = 0; i < _top; i++)_pstack[i] = stack._pstack[i];return *this;}void push(const T& val);void pop(){cout << "pop():" << _pstack[_top] << endl;if (empty())return;--_top;}// 之前说过，对于只需要读的方法，最好写成常方法T top() const	// 返回栈顶元素{if (empty())throw "stack is empty";//抛异常也代表函数逻辑结束return _pstack[_top - 1];}bool full() const { return _top == _size; }	// 栈满bool empty() const { return _top == 0; }	// 栈空private:T* _pstack;int _top;int _size;// 扩容void expand(){T* ptmp = new T[_size * 2];for (int i = 0; i < _top; i++)ptmp[i] = _pstack[i];delete[] _pstack;_pstack = ptmp;_size *= 2;}
};// 在类外实现成员方法
// 注意点：1.加类的作用域SeqStack<T>::  2.写template<typename T>
template<typename T>
void SeqStack<T>::push(const T& val)
{cout << "push(const T& val):" << val << endl;if (full())expand();_pstack[++_top] = val;
}

三、类模板实践：实现向量容器vector

template<typename T>
class vector
{
public:vector(int size = 10){_first = new T[size];_last = _first;_end = _first + size;}~vector(){delete[] _first;_first = _last = _end = nullptr;}vector(const vector<T>& vec){int size = vec._end - vec._first;_first = new T[size];int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i)_first[i] = vec._first[i];_last = _first + len;_end = _first + size;}vector<T>& operator=(const vector<T>& vec){// 防止自赋值if (this == &vec)return *this;// 释放本身指向delete[] _first;// 拷贝int size = vec._end - vec._first;_first = new T[size];int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i)_first[i] = vec._first[i];_last = _first + len;_end = _first + size;}void push_back(const T& val)	// 向容器末尾添加元素{if (full())expend();*_last++ = val;}void pop_back()		// 从容器末尾删除元素{if (empty())return;--_last;}T back() const		// 返回容器末尾的元素的值{return *(_last - 1);}bool full() const { return _last == _end; }bool empty() const { return _first == _last; }int size() const { return _last - _first; }private:T* _first;	// 指向数组起始位置T* _last;	// 指向数组中有效元素的后继位置T* _end;	// 指向数组空间的后继位置void expend()	// 容器的二倍扩容{int size = _end - _first;T* ptmp = new T[2 * size];for (int i = 0; i < size; ++i)ptmp[i] = _first[i];delete[] _first;_first = ptmp;_last = _first + size;_end = _first + 2 * size;}
};int main()
{vector<int> vec;for (int i = 0; i < 20; ++i)vec.push_back(i);vec.pop_back();	// 弹出19while (!vec.empty()){// 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0cout << vec.back() << " ";vec.pop_back();}cout << endl;return 0;
}