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C++类模板(模板类)详解

人们需要编写多个形式和功能都相似的函数,因此有了函数模板来减少重复劳动;人们也需要编写多个形式和功能都相似的类,于是 C++ 引人了类模板的概念,编译器从类模板可以自动生成多个类,避免了程序员的重复劳动。

例如,在《C++运算符重载》一章中的《C++实现可变长度的动态数组》一节中,我们实现了一个可变长的整型数组类,可能还需要可变长的 double 数组类,可变长的 CStudent 数组类,等等。如果要把类似于可变长整型数组类的代码都重写一遍,无疑非常麻烦。有了类模板的机制,只需要写一个可变长的数组类模板,编译器就会由该类模板自动生成整型、double 型等各种类型的可变长数组类了。

C++ 中类模板的写法如下:

template <类型参数表>
class 类模板名{
    成员函数和成员变量
};

类型参数表的写法如下:

class类塑参数1, class类型参数2, ...

类模板中的成员函数放到类模板定义外面写时的语法如下:

template <类型参数表>
返回值类型  类模板名<类型参数名列表>::成员函数名(参数表)
{
    ...
}

用类模板定义对象的写法如下:

类模板名<真实类型参数表> 对象名(构造函数实际参数表);

如果类模板有无参构造函数,那么也可以使用如下写法:

类模板名 <真实类型参数表> 对象名;

类模板看上去很像一个类。下面以 Pair 类模板为例来说明类模板的写法和用法。

实践中常常会碰到,某项数据记录由两部分组成,一部分是关键字,另一部分是值。关键字用来对记录进行排序和检索,根据关键字能查到值。例如,学生记录由两部分组成,一部分是学号,另一部分是绩点。要能根据学号对学生进行排序,以便方便地检索绩点,则学号就是关键字,绩点就是值。

下面的Pair类模板就可用来处理这样的数据记录:
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
template <class T1,class T2>
class Pair
{
public:
    T1 key;  //关键字
    T2 value;  //值
    Pair(T1 k,T2 v):key(k),value(v) { };
    bool operator < (const Pair<T1,T2> & p) const;
};
template<class T1,class T2>
bool Pair<T1,T2>::operator < (const Pair<T1,T2> & p) const
//Pair的成员函数 operator <
{ //"小"的意思就是关键字小
    return key < p.key;
}
int main()
{
    Pair<string,int> student("Tom",19); //实例化出一个类 Pair<string,int>
    cout << student.key << " " << student.value;
    return 0;
}
程序的输出结果是:
Tom 19

实例化一个类模板时,如第 21 行,真实类型参数表中的参数是具体的类型名,如 string、int 或其他类的名字(如 CStudent)等,它们用来一一对应地替换类模板定义中“类型参数表”中的类型参数。类模板名 <真实类型参数表>就成为一个具体的类的名字。

编译器编译到第 21 行时,就会用 string 替换 Pair 模板中的 T1,用 int 替换 T2,其余部分原样保留,这样就自动生成了一个新的类。这个类的名字编译器是如何处理的不需要知道,可以认为它的名字就是 Pair <string, int>。也可以说,student 对象的类型就是 Pair<string, int>。

Pair<string, int> 类的成员函数自然也是通过替换 Pair 模板的成员函数中的 T1、T2 得到的。

编译器由类模板生成类的过程叫类模板的实例化。由类模板实例化得到的类叫模板类。

函数模板作为类模板成员

类模板中的成员函数还可以是一个函数模板。成员函数模板只有在被调用时才会被实例化。例如下面的程序:
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
class A
{
public:
    template <class T2>
    void Func(T2 t) { cout << t; }  //成员函数模板
};
int main()
{
    A<int> a;
    a.Func('K');  //成员函数模板Func被实例化
    a.Func("hello");
    return 0;
}
程序的输出结果是:
Khello

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