【C++】 58_类模板的概念和意义

思考：
在 C++ 中是否能够将泛型的思想应用于类呢？

类模板

• 一些类主要用于存储和组织数据元素
• 类中数据组织的方式和数据元素的具体类型无关
• 如：数组类，链表类，Stack 类，Queue 类，等

C++ 中将模板的思想应用于类，使得类的实现不关注数据元素的具体类型，而只关注类所需要实现的功能。

• C++ 中的类模板

  • 以相同的方式处理不同的类型
  • 在类声明前使用 template 进行标识
  • < typename T > 用于说明类中使用的泛指类型 T

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T op(T a, Tb);
};

• 类模板的应用

  • 只能显示指定具体类型,无法自动推导

使用具体类型 <Type> 定义对象

void code()
{
    Operator<int> op1;
    Operator<string> op2;
    int i = op1.op(1, 2);
    string s = op2.op("D.T.","Software");
}

• 声明的泛指类型 T 可以出现在类模板的任意地方

• 编译器对类模板的处理方式和函数模板相同

  • 从类模板通过具体类型产生不同的类
  • 在声明的地方对类模板代码本身进行编译
  • 在使用的地方对参数替换后的代码进行编译

编程实验： 类模板初探

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b)
    {
        return a + b;
    }
    
    T minus(T a, T b)
    {
        return a - b;
    }
    
    T multiply(T a, T b)
    {
        return a * b;
    }
    
    T divide(T a, T b)
    {
        return a / b;
    }
};

string operator- (string& l, string& r)
{
    return "Minus";
}

int main()
{
    Operator<int> op1;
    
    cout << op1.add(1, 2) << endl;

    Operator<string> op2;
    
    cout << op2.add("D.T.", "Software") << endl;
    cout << op2.minus("D.T.", "Software") << endl;

    return 0;
}

输出：
3
D.T.Software
Minus

关于编译器对类模板进行的两次编译

第 1 次：对模板代码本身进行的编译检查

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b)
    {
        return a + b         // 注意这里！故意制造的语法错误
    }
};

int main()
{

    return 0;
}

输出：【g++】
test.cpp: In member function ‘T Operator<T>::add(T, T)’:
test.cpp:13: error: expected ‘;’ before ‘}’ token

第 2 次：对参数替换后的代码进行的编译检查

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b)
    {
        return a + b;
    }
    
    T minus(T a, T b)
    {
        return a - b;
    }
    
    T multiply(T a, T b)
    {
        return a * b;
    }
    
    T divide(T a, T b)
    {
        return a / b;
    }
};

int main()
{
    Operator<string> op2;
    
    cout << op2.add("D.T.", "Software") << endl;
    cout << op2.minus("D.T.", "Software") << endl;    // 注意这里！

    return 0;
}

输出：【g++】
test.cpp: In member function ‘T Operator<T>::minus(T, T) [with T =     std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >]’:
test.cpp:35:   instantiated from here
test.cpp:17: error: no match for ‘operator-’ in ‘a - b’

分析：
第二次编译时，编译器并不是对参数替换后的整个类中的所有成员函数进行编译，而是在每个成员函数被调用时进行的分步单独编译

Operator<string> op2;         ==> 针对构造函数进行编译，编译通过
op2.add("D.T.", "Software")   ==> 针对 add 函数进行编译，编译通过
op2.minus("D.T.", "Software") ==> 针对 minus 函数进行编译, 函数内部进行字符串的相减操作，而在 string 类中相减操作是没有定义的，编译报错

类模板的工程应用

• 类模板必须在头文件中定义
• 类模板不能分开实现在不同的文件中
• 类模板外部定义的成员函数需要叫上模板 <> 声明

模板类的工程应用

Operator.h

#ifndef _OPERATOR_H_
#define _OPERATOR_H_

template < typename T >
class Operator
{
public:
    T add(T a, T b);
    T minus(T a, T b);
    T multiply(T a, T b);
    T divide(T a, T b);
};

template < typename T >
T Operator<T>::add(T a, T b)
{
    return a + b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::minus(T a, T b)
{
    return a - b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::multiply(T a, T b)
{
    return a * b;
}

template < typename T >
T Operator<T>::divide(T a, T b)
{
    return a / b;
}

#endif

main.cpp

#include <iostream>
#include "Operator.h"

using namespace std;

int main()
{
    Operator<int> op1;
    
    cout << op1.add(1, 2) << endl;
    cout << op1.minus(2, 1) << endl;
    cout << op1.multiply(1, 2) << endl;
    cout << op1.divide(2, 1) << endl;

    return 0;
}

输出：
3
1
2
2

小结

• 泛型编程的思想可以应用于类
• 类模板以相同的方式处理不同类型的数据
• 类模板非常适用于编写数据结构相关的代码
• 类模板在使用时只能显示指定类型

以上内容参考狄泰软件学院系列课程，请大家保护原创！