C++类型参数化

简介: 【10月更文挑战第1天】在 C++ 中,模板是实现类型参数化的主要工具,用于编写能处理多种数据类型的代码。模板分为函数模板和类模板。函数模板以 `template` 关键字定义,允许使用任意类型参数 `T`,并在调用时自动推导具体类型。类模板则定义泛型类,如动态数组,可在实例化时指定具体类型。模板还支持特化,为特定类型提供定制实现。模板在编译时实例化,需放置在头文件中以确保编译器可见。
  1. 模板(Templates)概述
  • 在 C++ 中,类型参数化主要通过模板来实现。模板是一种泛型编程的工具,它允许程序员编写能够处理多种数据类型的代码,而不是为每种数据类型都编写重复的代码。模板可以分为函数模板和类模板。
  • 例如,考虑一个简单的交换函数。如果不使用模板,我们可能需要为不同的数据类型(如intdoublechar等)分别编写交换函数:


// 交换两个整数的函数
void swapInt(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
// 交换两个双精度浮点数的函数
void swapDouble(double& a, double& b) {
    double temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}


  • 这样的代码存在大量重复。使用模板可以简化这个过程。


  1. 函数模板(Function Templates)
  • 定义和使用
  • 函数模板的定义以关键字template开始,后面跟着模板参数列表,参数列表通常是一个或多个类型参数。例如,上面的交换函数可以写成函数模板的形式:


template<typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}


  • 这里typename T声明了一个类型参数T,它可以代表任何数据类型。在函数体中,T被当作一种具体的数据类型来使用。使用这个函数模板时,编译器会根据传入的实际参数类型自动推断T的具体类型,并生成相应的函数代码。例如:


int main() {
    int a = 1, b = 2;
    swap(a, b);  // 编译器会自动生成交换两个整数的函数代码
    double c = 1.2, d = 2.3;
    swap(c, d);  // 编译器会自动生成交换两个双精度浮点数的函数代码
    return 0;
}


  • 模板参数的多种形式
  • 除了类型参数(typenameclass关键字声明),函数模板还可以有非类型参数。非类型参数通常是整数类型(如intlong等)或指针类型。例如,一个函数模板可以接受一个整数参数来指定数组的大小:


template<typename T, int N>
void printArray(T (&arr)[N]) {
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}


  • 这里N是一个非类型模板参数,它在函数调用时必须是一个常量表达式。使用这个函数模板可以像这样:


int main() {
    int arr1[] = {1, 2, 3};
    printArray(arr1);
    double arr2[] = {1.1, 2.2, 3.3};
    printArray(arr2);
    return 0;
}


  1. 类模板(Class Templates)
  • 定义和使用
  • 类模板的定义和函数模板类似,也是以template关键字开头,后面跟着模板参数列表。例如,定义一个简单的动态数组类模板:


template<typename T>
class DynamicArray {
public:
    DynamicArray() : size(0), capacity(1), data(new T[capacity]) {}
    ~DynamicArray() {
        delete[] data;
    }
    void push_back(T element) {
        if (size == capacity) {
            // 数组扩容
            T* newData = new T[capacity * 2];
            for (int i = 0; i < size; ++i) {
                newData[i] = data[i];
            }
            delete[] data;
            data = newData;
            capacity *= 2;
        }
        data[size++] = element;
    }
    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }
private:
    int size;
    int capacity;
    T* data;
};


  • 这个类模板DynamicArray可以用来创建存储不同类型元素的动态数组。使用类模板时,需要指定模板参数的具体类型,例如:


int main() {
    DynamicArray<int> intArray;
    intArray.push_back(1);
    intArray.push_back(2);
    std::cout << intArray[0] << " " << intArray[1] << std::endl;
    DynamicArray<double> doubleArray;
    doubleArray.push_back(1.1);
    doubleArray.push_back(2.2);
    std::cout << doubleArray[0] << " " << doubleArray[1] << std::endl;
    return 0;
}


  • 模板的特化(Template Specialization)
  • 有时候,对于某些特定的类型,通用的模板定义可能不适用或者效率不高,这时可以使用模板特化。模板特化是指为特定的类型提供专门的模板实现。例如,对于const char*类型的DynamicArray,我们可能希望有不同的比较行为。可以这样进行类模板特化:


// 全特化(Full Specialization)
template<>
class DynamicArray<const char*> {
public:
    DynamicArray() : size(0), capacity(1), data(new const char*[capacity]) {}
    ~DynamicArray() {
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            delete[] data[i];
        }
        delete[] data;
    }
    void push_back(const char* element) {
        //... 不同的实现逻辑
    }
    const char*& operator[](int index) {
        return data[index];
    }
private:
    int size;
    int capacity;
    const char** data;
};


  • 这里template<>表示这是一个全特化的类模板,它只适用于const char*类型。


  1. 模板的编译模型
  • C++ 模板是一种编译时的机制。当编译器遇到模板定义时,它不会立即生成代码,而是在模板被实例化(即使用具体的参数类型)时才会生成相应的代码。这意味着模板的定义通常需要放在头文件中,以便编译器在需要时能够看到完整的模板定义并进行实例化。
  • 例如,如果将函数模板或类模板的定义放在.cpp文件中,而在另一个文件中使用这个模板,编译器在编译使用模板的文件时可能无法找到模板的定义,从而导致链接错误。为了解决这个问题,通常会将模板的定义和声明放在头文件中,或者使用一些特殊的编译技巧,如显式实例化等。
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