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C++编程——类模板

2023-10-27

1 类模板语法

类模板的作用：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是通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

示例：

//类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Age = age;
		this->m_Name = name;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << "age: " << this->m_Age << endl;
	}

	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
};


void test01()
{
	Person<string, int> p1("孙悟空", 999);
	p1.showPerson();
}
   
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

2 类模板与函数模板的区别

类模板与函数模板区别主要有两点：

  1. 类模板没有自动类型推导的使用方式
  2. 类模板在模板参数列表中可以有默认参数

示例：

//类模板与函数模板的区别
template<class NameType, class AgeType = int> //指定默认参数
class Person
{
public:
	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Age = age;
		this->m_Name = name;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age: " << this->m_Age << endl;
	}

	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;
};


void test01()
{
	//Person p("孙悟空", 1000);错误的，类模板无法用自动类型推导
	Person<string, int>p("孙悟空", 1000);//正确，只能用显式指定类型推导
	p.showPerson();
}

void test02()
{
	Person<string>p("猪八戒", 999); //类模板在参数列表中有默认参数
}
   
int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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：

//类模板中成员函数的创建时机
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在调用的时候才创建，所以不会报错
	void func1()
	{
		obj.showPerson1();
	}

	void func2()
	{
		obj.showPerson2();
	}
};

void test01()
{
	Myclass<Person1>m;
	m.func1();
	//m.func2(); 无法调用
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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：

  1. 指定传入的类型：直接显示对象的数据类型
  2. 参数模板化：将对象中的参数变为模板进行传递
  3. 整个类模板化：将这个对象类型模板化进行传递

示例：

//类模板对象做函数参数
template<class T1,class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name,T2 age)
	{
		this->m_Age = age;
		this->m_Name = name;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "name: " << this->m_Name << " age:" << this->m_Age << endl;
	}

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//1、指定传入类型
void printPerson1(Person<string, int>&p)
{
	p.showPerson();
}
void test01()
{
	Person<string, int>p("孙悟空", 199);
	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)
{
	p.showPerson();
	cout << "T的类型为:" << typeid(T).name() << endl;
}
void test03()
{
	Person<string, int>p("唐僧", 60);
	printPerson3(p);
}

int main()
{
	test01();
	test02();
	test03();
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
注：使用比较广泛的是指定传入类型的传参方式

5 类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意以下几点：

  • 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，子类也需为类模板

示例：

//类模板与继承
template<class T>
class Base
{
	T m;
};

//class Son: public Base //错误，必须要知道父类中的T类型，才能继承给子类
class Son :public Base<int>
{

};

void test01()
{
	Son s1;
}

//如果想灵活指定父类中T的类型，子类也需要变成类模板
template<class T1,class T2>
class Son2 : public Base<T2>
{
public:
	Son2()
	{
		cout << "T1的类型为:" << typeid(T1).name() << endl;
		cout << "T2的类型为:" << typeid(T2).name() << endl;

	}
	T1 obj;
};

void test02()
{
	Son2<int,char> s2;
}

int main()
{
	test02();
	
	system("pause");
	return 0;
}

6 类模板成员函数类外实现

示例：

//类模板成员类外实现
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	/*{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}*/

	void showPerson();
	/*{
		cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
	}*/

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//构造函数的类外实现
template<class T1,class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}


//成员函数的类外实现
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", 30);
	p.showPerson();
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

7 类模板分文件编写

如果工程中需要利用多个类模板，那么将这些类模板都写在同一个文件中将会导致代码可读性变差，所以有必要对类模板进行分文件编写，但是类模板的分文件编写面临着一些问题，以下是类模板分文件编写面临的问题及解决方法。

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：将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp,hpp是约定的名称，并不是强制的

示例1：（未进行分文件编写）

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	/*{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}*/

	void showPerson();
	/*{
		cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
	}*/

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//构造函数的类外实现
template<class T1,class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}


//成员函数的类外实现
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", 30);
	p.showPerson();
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

实例2：（进行分文件编写,利用.cpp）

1.创建头文件person.h，写一些声明

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

2.创建person.cpp，写具体实现

#include "person.h"

//构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}


//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}

3.main函数编写
错误代码：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.h"

void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 30);
	p.showPerson();
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

注：因为如果包含person.h文件，那么编译器将会看到person.h中的代码。但是由于类模板中的成员函数一开始是不创建的，导致编译器没有看到person.cpp中的代码，所以执行test01时，无法解析其中的代码。

正确代码：(不常用)

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.cpp"

void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 30);
	p.showPerson();
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

注：就是将person.h文件改成了person.cpp代码。编译器首先看到了person.cpp文件，因为person.cpp文件中有person.h文件，编译器又看到了person.h文件，所以能够解析test01中的代码。但是一般很少直接包含.cpp文件的，所以这个方法不常用。

实例3：（分文件编写，利用.hpp）
将person.h和person.cpp的内容写到一起，并将后缀名改为.hpp，这是类模板分文件编写最常用的方式

1.编写person.hpp文件：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>

template<class T1, class T2>
class Person
{
public:
	Person(T1 name, T2 age);
	void showPerson();

	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

//构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}


//成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名:" << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}

2.编写main函数

#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>
#include "person.hpp"

void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 30);
	p.showPerson();
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

8 类模板与友元

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

1.全局函数的类内实现


template<class T1, class T2>
class Person
{
	//全局函数类内实现
	friend void printPerson(Person<T1, T2> p)
	{
		cout << "姓名:" << p.m_Name << " 年龄:" << p.m_Age << endl;
	}
public:
	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
	
private:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 30);
	printPerson(p);
}
int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

2.全局函数类外实现

//提前让编译器知道Person类的存在
template<class T1, class T2>
class Person;

//类外实现
template<class T1, class T2>
void printPerson(Person<T1, T2> p)
{
	cout << "姓名:" << p.m_Name << " 年龄:" << p.m_Age << endl;
}

template<class T1, class T2>
class Person
{
	//全局函数类外实现 
	//加空模板参数列表
	//如果全局函数是类外实现，需要让编译器提前知道这个函数的存在
	friend void printPerson<>(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;
};



void test01()
{
	Person<string, int>p("Tom", 30);
	printPerson(p);
}


int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

注：需要注意各个函数声明之间的顺序。在Person类模板中有友元的声明friend void printPerson<>(Person<T1, T2> p)，因为类模板中友元的类外实现需要让编译器提前知道这个函数，所以需要将printPerson函数写在前面。而printPerson函数中又涉及Person类，所以在printPerson函数前面需要提前声明Person类模板的存在。
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。

9 类模板案例

案例描述：

  • 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=防止浅拷贝的问题
  • 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

MyArray.hpp文件：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;


template<class T>
class MyArray
{
public:
	//构造函数
	MyArray(int capacity)
	{
		cout << "MyArray有参构造的调用" << endl;
		this->m_Capacity = capacity;
		this->pAdress = new T[this->m_Capacity];
		this->m_Size = 0;
	}

	//析构函数
	~MyArray()
	{
		
		if (this->pAdress != NULL)
		{
			cout << "MyArray析构的调用" << endl;
			delete[] this->pAdress;
			this->pAdress = NULL;
		}
	}

	//拷贝构造
	MyArray(const MyArray& arr)
	{
		cout << "MyArray拷贝构造的调用" << endl;
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;

		//深拷贝
		this->pAdress = new T[arr.m_Capacity];

		//将arr中的数据都拷贝过来
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
		{
			this->pAdress[i] = arr.pAdress[i];
		}
	}

	//operator= 防止浅拷贝问题
	MyArray& operator=(const MyArray& arr)
	{
		cout << "MyArray的operator=调用" << endl;
		//先判断原来堆区是否有数据，如果有先释放
		if (this->pAdress != NULL)
		{
			delete[] this->pAdress;
			this->pAdress = NULL;
			this->m_Capacity = 0;
			this->m_Size = 0; 
		}

		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;

		//深拷贝
		this->pAdress = new T[arr.m_Capacity];

		//将arr中的数据都拷贝过来
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
		{
			this->pAdress[i] = arr.pAdress[i];
		}
		return *this;
	}

	//尾插法
	void Push_Back(const T& val)
	{
		//判断容量是否等于大小
		if (this->m_Size == this->m_Capacity)
		{
			return;
		}
		this->pAdress[this->m_Size] = val; //在数组末尾插入数据
		this->m_Size++; //更新数组大小
	}

	//尾删法
	void Pop_Back()
	{
		//让用户访问不到最后一个元素即为尾删法 
		if (this->m_Size == 0)
		{
			return;
		}
		this->m_Size--;
	}

	//通过下标方式访问数组中的元素
	T& operator[](int index) //以引用作为返回值是为了能够做arr[0]=100这样的操作
	{
		return this->pAdress[index];
	}

	//返回数组容量
	int getCapacity()
	{
		return this->m_Capacity;
	}

	//返回数组大小
	int getSize()
	{
		return this->m_Size;
	}

private:
	T *pAdress; //指针指向堆区开辟的真实数组

	int m_Capacity; //数组容量

	int m_Size; //数组大小
};

main文件：

#include <iostream>
using namespace std;
#include "MyArray.hpp"
#include <string>

void printIntArray(MyArray<int>& arr1)
{
	for (int i = 0; i < arr1.getSize(); i++)
	{
		cout << arr1[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}


void test01()
{
	MyArray<int> arr1(5);
	MyArray<int> arr2(arr1);
	MyArray<int> arr3(100);
	arr3 = arr1;

	cout << "--------------------" << endl;

	MyArray<int>arr4(5);
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		//通过尾插法向数组中插入数据
		arr4.Push_Back(i);
	}

	cout << "arr4的打印输出为：" << endl;
	printIntArray(arr4);
	cout << "arr4的容量为:" << arr4.getCapacity() << endl;
	cout << "arr4的大小为:" << arr4.getSize() << endl;

	MyArray<int>arr5(arr4);
	cout << "arr5的打印输出为：" << endl;
	printIntArray(arr5);
	//尾删法
	arr5.Pop_Back();
	cout << "arr5尾删后的打印输出为：" << endl;
	printIntArray(arr5);
}

//测试自定义类型
class Person
{
public:
	Person()
	{

	}
	Person(string name,int age)
	{
		this->m_Age = age;
		this->m_Name = name;
	}
	string m_Name;
	int m_Age;
};

void printPersonArray(MyArray<Person>& arr)
{
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++)
	{
		cout << "Name: " << arr[i].m_Name << "  Age: " << arr[i].m_Age << endl;
	}
}

void test02()
{
	MyArray<Person> arr(10);
	Person p1("Tom", 12);
	Person p2("Jack", 15);
	Person p3("Bill", 17);

	//数据插入到数组中
	arr.Push_Back(p1);
	arr.Push_Back(p2);
	arr.Push_Back(p3);
	printPersonArray(arr);
	cout << "arr的容量为:" << arr.getCapacity() << endl;
	cout << "arr的大小为:" << arr.getSize() << endl;
}

int main()
{
	test01();
	cout << "==========" << endl;
	test02();
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
注：本文参考b站黑马程序员c++课程

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