1. 模板
约 5010 字大约 17 分钟
2025-05-08
1.1 模板的概念
模板就是建立通用的模具，大大提高复用性
例如生活中的模板：一寸照片模板、PPT模板：
模板的特点：
- 模板不可以直接使用，它只是一个框架
- 模板的通用并不是万能的
1.2 函数模板
C++另一种编程思想称为 泛型编程 ，主要利用的技术就是模板
C++提供两种模板机制:函数模板和类模板
1.2.1 函数模板语法
函数模板作用：
建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。
语法：
template<typename T>
函数声明或定义解释：
template --- 声明创建模板
typename --- 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母
示例：
//交换整型函数
void swapInt(int& a, int& b) {
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//交换浮点型函数
void swapDouble(double& a, double& b) {
double temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//利用模板提供通用的交换函数
template<typename T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
//swapInt(a, b);
//利用模板实现交换
//1、自动类型推导
mySwap(a, b);
//2、显示指定类型
mySwap<int>(a, b);
cout << "a = " << a << endl;
cout << "b = " << b << endl;
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：
- 函数模板利用关键字 template
- 使用函数模板有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
- 模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化
1.2.2 函数模板注意事项
注意事项：
自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
示例：
//利用模板提供通用的交换函数
template<class T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
// 1、自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
char c = 'c';
mySwap(a, b); // 正确，可以推导出一致的T
//mySwap(a, c); // 错误，推导不出一致的T类型
}
// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func()
{
cout << "func 调用" << endl;
}
void test02()
{
//func(); //错误，模板不能独立使用，必须确定出T的类型
func<int>(); //利用显示指定类型的方式，给T一个类型，才可以使用该模板
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：
- 使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型
1.2.3 函数模板案例
案例描述：
- 利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序
- 排序规则从大到小，排序算法为选择排序
- 分别利用char数组和int数组进行测试
示例：
//交换的函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T&b)
{
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
template<class T> // 也可以替换成typename
//利用选择排序，进行对数组从大到小的排序
void mySort(T arr[], int len)
{
for (int i = 0; i < len; i++)
{
int max = i; //最大数的下标
for (int j = i + 1; j < len; j++)
{
if (arr[max] < arr[j])
{
max = j;
}
}
if (max != i) //如果最大数的下标不是i，交换两者
{
mySwap(arr[max], arr[i]);
}
}
}
template<typename T>
void printArray(T arr[], int len) {
for (int i = 0; i < len; i++) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
void test01()
{
//测试char数组
char charArr[] = "bdcfeagh";
int num = sizeof(charArr) / sizeof(char);
mySort(charArr, num);
printArray(charArr, num);
}
void test02()
{
//测试int数组
int intArr[] = { 7, 5, 8, 1, 3, 9, 2, 4, 6 };
int num = sizeof(intArr) / sizeof(int);
mySort(intArr, num);
printArray(intArr, num);
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：模板可以提高代码复用，需要熟练掌握
1.2.4 普通函数与函数模板的区别
普通函数与函数模板区别：
- 普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
- 函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
- 如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换
示例：
//普通函数
int myAdd01(int a, int b)
{
return a + b;
}
//函数模板
template<class T>
T myAdd02(T a, T b)
{
return a + b;
}
//使用函数模板时，如果用自动类型推导，不会发生自动类型转换,即隐式类型转换
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
char c = 'c';
cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确，将char类型的'c'隐式转换为int类型 'c' 对应 ASCII码 99
//myAdd02(a, c); // 报错，使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换
myAdd02<int>(a, c); //正确，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T
1.2.5 普通函数与函数模板的调用规则
调用规则如下：
- 如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
- 可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
- 函数模板也可以发生重载
- 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
示例：
//普通函数与函数模板调用规则
void myPrint(int a, int b)
{
cout << "调用的普通函数" << endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b)
{
cout << "调用的模板" << endl;
}
template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c)
{
cout << "调用重载的模板" << endl;
}
void test01()
{
//1、如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
// 注意 如果告诉编译器 普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到
int a = 10;
int b = 20;
myPrint(a, b); //调用普通函数
//2、可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
myPrint<>(a, b); //调用函数模板
//3、函数模板也可以发生重载
int c = 30;
myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板
//4、 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
char c1 = 'a';
char c2 = 'b';
myPrint(c1, c2); //调用函数模板
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性
1.2.6 模板的局限性
局限性：
- 模板的通用性并不是万能的
例如：
template<class T>
void f(T a, T b)
{
a = b;
}在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了
再例如：
template<class T>
void f(T a, T b)
{
if(a > b) { ... }
}在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行
因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板
示例：
#include<iostream>
using namespace std;
#include <string>
class Person
{
public:
Person(string name, int age)
{
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
string m_Name;
int m_Age;
};
//普通函数模板
template<class T>
bool myCompare(T& a, T& b)
{
if (a == b)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
//具体化，显示具体化的原型和定意思以template<>开头，并通过名称来指出类型
//具体化优先于常规模板
template<> bool myCompare(Person &p1, Person &p2)
{
if ( p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
void test01()
{
int a = 10;
int b = 20;
//内置数据类型可以直接使用通用的函数模板
bool ret = myCompare(a, b);
if (ret)
{
cout << "a == b " << endl;
}
else
{
cout << "a != b " << endl;
}
}
void test02()
{
Person p1("Tom", 10);
Person p2("Tom", 10);
//自定义数据类型，不会调用普通的函数模板
//可以创建具体化的Person数据类型的模板，用于特殊处理这个类型
bool ret = myCompare(p1, p2);
if (ret)
{
cout << "p1 == p2 " << endl;
}
else
{
cout << "p1 != p2 " << endl;
}
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：
- 利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
- 学习模板并不是为了写模板，而是在STL能够运用系统提供的模板
1.3 类模板
1.3.1 类模板语法
类模板作用：
- 建立一个通用类，类中的成员 数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。
语法：
template<typename T>
类解释：
template --- 声明创建模板
typename --- 表明其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母
示例：
#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:
Person(NameType name, AgeType age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson()
{
cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
void test01()
{
// 指定NameType 为string类型，AgeType 为 int类型
Person<string, int>P1("孙悟空", 999);
P1.showPerson();
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板
1.3.2 类模板与函数模板区别
类模板与函数模板区别主要有两点：
- 类模板没有自动类型推导的使用方式
- 类模板在模板参数列表中可以有默认参数
示例：
#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person
{
public:
Person(NameType name, AgeType age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson()
{
cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
//1、类模板没有自动类型推导的使用方式
void test01()
{
// Person p("孙悟空", 1000); // 错误 类模板使用时候，不可以用自动类型推导
Person <string ,int>p("孙悟空", 1000); //必须使用显示指定类型的方式，使用类模板
p.showPerson();
}
//2、类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02()
{
Person <string> p("猪八戒", 999); //类模板中的模板参数列表 可以指定默认参数
p.showPerson();
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：
- 类模板使用只能用显示指定类型方式
- 类模板中的模板参数列表可以有默认参数
1.3.3 类模板中成员函数创建时机
类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的：
- 普通类中的成员函数一开始就可以创建
- 类模板中的成员函数在调用时才创建
示例：
class Person1
{
public:
void showPerson1()
{
cout << "Person1 show" << endl;
}
};
class Person2
{
public:
void showPerson2()
{
cout << "Person2 show" << endl;
}
};
template<class T>
class MyClass
{
public:
T obj;
//类模板中的成员函数，并不是一开始就创建的，而是在模板调用时再生成，因此编译不报错
void fun1() { obj.showPerson1(); }
void fun2() { obj.showPerson2(); }
};
void test01()
{
MyClass<Person1> m;
m.fun1();
//m.fun2();//编译会出错，说明函数调用才会去创建成员函数
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建
1.3.4 类模板对象做函数参数
学习目标：
- 类模板实例化出的对象，向函数传参的方式
一共有三种传入方式：
- 指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
- 参数模板化 --- 将对象中的参数变为模板进行传递
- 整个类模板化 --- 将这个对象类型 模板化进行传递
示例：
#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person
{
public:
Person(NameType name, AgeType age)
{
this->mName = name;
this->mAge = age;
}
void showPerson()
{
cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
}
public:
NameType mName;
AgeType mAge;
};
//1、指定传入的类型
void printPerson1(Person<string, int> &p)
{
p.showPerson();
}
void test01()
{
Person <string, int >p("孙悟空", 100);
printPerson1(p);
}
//2、参数模板化
template <class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>&p)
{
p.showPerson();
cout << "T1的类型为： " << typeid(T1).name() << endl;
cout << "T2的类型为： " << typeid(T2).name() << endl;
}
void test02()
{
Person <string, int >p("猪八戒", 90);
printPerson2(p);
}
//3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T & p)
{
cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
p.showPerson();
}
void test03()
{
Person <string, int >p("唐僧", 30);
printPerson3(p);
}
int main() {
test01();
test02();
test03();
system("pause");
return 0;
}总结：
- 通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
- 使用比较广泛是第一种：指定传入的类型
1.3.5 类模板与继承
当类模板碰到继承时，需要注意一下几点：
- 当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型
- 如果不指定，编译器无法给子类分配内存
- 如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板
示例：
template<class T>
class Base
{
T m;
};
//class Son:public Base //错误，c++编译需要给子类分配内存，必须知道父类中T的类型才可以向下继承
class Son :public Base<int> //必须指定一个类型
{
};
void test01()
{
Son c;
}
//类模板继承类模板 ,可以用T2指定父类中的T类型
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
public:
Son2()
{
cout << typeid(T1).name() << endl;
cout << typeid(T2).name() << endl;
}
};
void test02()
{
Son2<int, char> child1; //子类的 T1 是 int 类型，父类的 T2 是 char类型
}
int main() {
test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型
1.3.6 类模板成员函数类外实现
学习目标：能够掌握类模板中的成员函数类外实现
示例：
#include <string>
//类模板中成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person {
public:
//成员函数类内声明
Person(T1 name, T2 age);
void showPerson();
public:
T1 m_Name;
T2 m_Age;
};
//构造函数 类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age) {
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
//成员函数 类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson() {
cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}
void test01()
{
Person<string, int> p("Tom", 20);
p.showPerson();
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表
1.3.7 类模板分文件编写
学习目标：
- 掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式
问题：
- 类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到
解决：
- 解决方式1：直接包含.cpp源文件
- 解决方式2：将声明.h和实现.cpp写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制
示例：
person.hpp中代码：
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
template<class T1, class T2>
class Person {
public:
Person(T1 name, T2 age);
void showPerson();
public:
T1 m_Name;
T2 m_Age;
};
//构造函数 类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age) {
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
//成员函数 类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson() {
cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}类模板分文件编写.cpp中代码
#include<iostream>
using namespace std;
//#include "person.h"
#include "person.cpp" //解决方式1，包含cpp源文件
//解决方式2，将声明和实现写到一起，文件后缀名改为.hpp
#include "person.hpp"
void test01()
{
Person<string, int> p("Tom", 10);
p.showPerson();
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}总结：主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp
1.3.8 类模板与友元
学习目标：
- 掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现
全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可
全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在
示例：
#include <string>
//2、全局函数配合友元 类外实现 - 先做函数模板声明，下方在做函数模板定义，在做友元
template<class T1, class T2> class Person;
//如果声明了函数模板，可以将实现写到后面，否则需要将实现体写到类的前面让编译器提前看到
//template<class T1, class T2> void printPerson2(Person<T1, T2> & p);
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> & p)
{
cout << "类外实现 ---- 姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}
template<class T1, class T2>
class Person
{
//1、全局函数配合友元 类内实现
friend void printPerson(Person<T1, T2> & p)
{
cout << "姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}
//全局函数配合友元 类外实现
friend void printPerson2<>(Person<T1, T2> & p);
public:
Person(T1 name, T2 age)
{
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
private:
T1 m_Name;
T2 m_Age;
};
//1、全局函数在类内实现
void test01()
{
Person <string, int >p("Tom", 20);
printPerson(p);
}
//2、全局函数在类外实现
void test02()
{
Person <string, int >p("Jerry", 30);
printPerson2(p);
}
int main() {
//test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别
1.3.9 类模板案例
案例描述: 实现一个通用的数组类，要求如下：
- 可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
- 将数组中的数据存储到堆区
- 构造函数中可以传入数组的容量
- 提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
- 提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除
- 可以通过下标的方式访问数组中的元素
- 可以获取数组中当前元素个数和数组的容量
示例：
myArray.hpp中代码
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class MyArray
{
public:
//构造函数
MyArray(int capacity)
{
this->m_Capacity = capacity;
this->m_Size = 0;
pAddress = new T[this->m_Capacity];
}
//拷贝构造
MyArray(const MyArray & arr)
{
this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
this->m_Size = arr.m_Size;
// 深拷贝
this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
{
//如果T为对象，而且还包含指针，必须需要重载 = 操作符，因为这个等号不是 构造 而是赋值，
// 普通类型可以直接= 但是指针类型需要深拷贝
this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
}
}
//重载= 操作符 防止浅拷贝问题
MyArray& operator=(const MyArray& myarray) {
if (this->pAddress != NULL) {
delete[] this->pAddress;
this->m_Capacity = 0;
this->m_Size = 0;
}
this->m_Capacity = myarray.m_Capacity;
this->m_Size = myarray.m_Size;
this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
for (int i = 0; i < this->m_Size; i++) {
this->pAddress[i] = myarray[i];
}
return *this;
}
//重载[] 操作符 arr[0]
T& operator [](int index)
{
return this->pAddress[index]; //不考虑越界，用户自己去处理
}
//尾插法
void Push_back(const T & val)
{
if (this->m_Capacity == this->m_Size)
{
return;
}
this->pAddress[this->m_Size] = val;
this->m_Size++;
}
//尾删法
void Pop_back()
{
if (this->m_Size == 0)
{
return;
}
this->m_Size--;
}
//获取数组容量
int getCapacity()
{
return this->m_Capacity;
}
//获取数组大小
int getSize()
{
return this->m_Size;
}
//析构
~MyArray()
{
if (this->pAddress != NULL)
{
delete[] this->pAddress;
this->pAddress = NULL;
this->m_Capacity = 0;
this->m_Size = 0;
}
}
private:
T * pAddress; //指向一个堆空间，这个空间存储真正的数据
int m_Capacity; //容量
int m_Size; // 大小
};类模板案例—数组类封装.cpp中
#include "myArray.hpp"
#include <string>
void printIntArray(MyArray<int>& arr) {
for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
//测试内置数据类型
void test01()
{
MyArray<int> array1(10);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
array1.Push_back(i);
}
cout << "array1打印输出：" << endl;
printIntArray(array1);
cout << "array1的大小：" << array1.getSize() << endl;
cout << "array1的容量：" << array1.getCapacity() << endl;
cout << "--------------------------" << endl;
MyArray<int> array2(array1);
array2.Pop_back();
cout << "array2打印输出：" << endl;
printIntArray(array2);
cout << "array2的大小：" << array2.getSize() << endl;
cout << "array2的容量：" << array2.getCapacity() << endl;
}
//测试自定义数据类型
class Person {
public:
Person() {}
Person(string name, int age) {
this->m_Name = name;
this->m_Age = age;
}
public:
string m_Name;
int m_Age;
};
void printPersonArray(MyArray<Person>& personArr)
{
for (int i = 0; i < personArr.getSize(); i++) {
cout << "姓名：" << personArr[i].m_Name << " 年龄： " << personArr[i].m_Age << endl;
}
}
void test02()
{
//创建数组
MyArray<Person> pArray(10);
Person p1("孙悟空", 30);
Person p2("韩信", 20);
Person p3("妲己", 18);
Person p4("王昭君", 15);
Person p5("赵云", 24);
//插入数据
pArray.Push_back(p1);
pArray.Push_back(p2);
pArray.Push_back(p3);
pArray.Push_back(p4);
pArray.Push_back(p5);
printPersonArray(pArray);
cout << "pArray的大小：" << pArray.getSize() << endl;
cout << "pArray的容量：" << pArray.getCapacity() << endl;
}
int main() {
//test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}总结：
能够利用所学知识点实现通用的数组