c++函数模板STL详解
函数模板
函数模板语法
所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，其函数类型和形参类型不具体指定，用一个虚拟的类型来代表。这个通用函数就称为函数模板。
凡是函数体相同的函数都可以用这个模板来代替，不必定义多个函数，只需在模板中定义一次即可。在调用函数时系统会根据实参的类型来取代模板中的虚拟类型，从而实现了不同函数的功能。
函数模板定义形式
由以下三部分组成： 模板说明 + 函数定义 + 函数模板调用
template < 类型形式参数表 >
类型 函数名 (形式参数表)
{
//语句序列
}
1.模板说明
template <类型形式参数表>
类型形式参数的形式：
typename T1,typename T2,typename Tn……或class T1,class T2
(typename 和 class的效果完全相等)
2.函数定义
类型 函数名 (形式参数表)
{
}
**注意：**模板说明的类属参数必须在函数定义中出现一次
函数参数表中可以使用类属类型参数，也可以使用一般类型参数
3.模板函数调用
max<int>(a, b); //显式类型调用
max(a, b); //自动数据类型推导
4.函数模板
5.函数模板和函数重载
// demo 15-4.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
void Swap(T &a, T &b){
T t;
t = a;
a = b;
b = t;
cout<<"Swap 模板函数被调用了"<<endl;
}
/*
void Swap(char &a, int &b){
int t;
t = a;
a = b;
b = t;
cout<<"Swap 普通函数被调用了"<<endl;
}
*/
void main(void){
char cNum = 'c';
int iNum = 65;
//第一种情况，模板函数和普通函数并存,参数类型和普通重载函数更匹配
//调用普通函数
//Swap(cNum, iNum);
//第二种情况 不存在普通函数，函数模板会隐式数据类型转换嘛？
//结论：不提供隐式的数据类型转换,必须是严格的匹配
//Swap(cNum, iNum);
system("pause");
return ;
}
函数模板和普通函数区别结论：
两者允许并存
函数模板不允许自动类型转化
普通函数能够进行自动类型转换
// demo 15-5.c
#include <iostream>
using namespace std;
//第一版
int Max(int a, int b)
{
cout<<"调用 int Max(int a, int b)"<<endl;
return a>b ? a:b;
}
template<typename T>
T Max(T a, T b)
{
cout<<"调用 T Max(T a, T b)"<<endl;
return a>b ? a:b;
}
template <typename T>
T Max(T a, T b, T c){
cout<<"调用 T Max(T a, T b, T c)"<<endl;
return Max(Max(a, b), c);
}
//第二版
int Max1(int a, int b)
{
cout<<"调用 int Max(int a, int b)"<<endl;
return a>b ? a:b;
}
template<typename T1, typename T2>
T1 Max1(T1 a, T2 b)
{
cout<<"调用 T Max1(T1 a, T2 b)"<<endl;
return a>b ? a:b;
}
void main(void){
int a = 1;
int b = 2;
//当函数模板和普通函数都符合调用时,优先选择普通函数
//cout<<"Max(a, b)"<<Max(a, b)<<endl;
//如果显式的使用函数模板,则使用<> 类型列表
//Max<>(a, b);
char c = 'a';
//如果函数模板会产生更好的匹配，使用函数模板
//Max1(c, a);
//Max(1.0, 2.0);
Max(3.0, 4.0, 5.0);
system("pause");
return ;
}
函数模板和普通函数在一起，调用规则：
1 函数模板可以像普通函数一样被重载
2 C++编译器优先考虑普通函数
3 如果函数模板可以产生一个更好的匹配，那么选择模板
4 可以通过空模板实参列表的语法限定编译器只通过模板匹配
函数模板调用机制
// demo 15-6.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
T Max(T a, T b){
return a>b ? a:b;
}
int main()
{
int x = 1;
int y = 2;
Max(x, y);
float a = 2.0;
float b = 3.0;
Max(a, b);
return 0;
}
*反汇编观察*
// demo.c
#include <iostream>
using namespace std;
int Max(int a, int b){
return a>b ? a:b;
}
int main()
{
int x = 1;
int y = 2;
Max(x, y);
return 0;
}
// demo.S
.file "demo.cpp"
.local _ZStL8__ioinit
.comm _ZStL8__ioinit,1,1
.text
.globl _Z3Maxii
.type _Z3Maxii, @function
_Z3Maxii:
.LFB1021:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl %edi, -4(%rbp)
movl %esi, -8(%rbp)
movl -4(%rbp), %eax
cmpl -8(%rbp), %eax
jle .L2
movl -4(%rbp), %eax
jmp .L4
.L2:
movl -8(%rbp), %eax
.L4:
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1021:
.size _Z3Maxii, .-_Z3Maxii
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB1022:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl $1, -8(%rbp)
movl $2, -4(%rbp)
movl -4(%rbp), %edx
movl -8(%rbp), %eax
movl %edx, %esi
movl %eax, %edi
call _Z3Maxii
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1022:
.size main, .-main
.type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB1023:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl %edi, -4(%rbp)
movl %esi, -8(%rbp)
cmpl $1, -4(%rbp)
jne .L9
cmpl $65535, -8(%rbp)
jne .L9
movl $_ZStL8__ioinit, %edi
call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev
movl $__dso_handle, %edx
movl $_ZStL8__ioinit, %esi
movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi
call __cxa_atexit
.L9:
nop
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1023:
.size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
.type _GLOBAL__sub_I__Z3Maxii, @function
_GLOBAL__sub_I__Z3Maxii:
.LFB1024:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $65535, %esi
movl $1, %edi
call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1024:
.size _GLOBAL__sub_I__Z3Maxii, .-_GLOBAL__sub_I__Z3Maxii
.section .init_array,"aw"
.align 8
.quad _GLOBAL__sub_I__Z3Maxii
.hidden __dso_handle
.ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.5) 5.4.0 20160609"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
// demo_06.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
T Max(T a, T b){
return a>b ? a:b;
}
int main()
{
int x = 1;
int y = 2;
Max(x, y);
float a = 2.0;
float b = 3.0;
Max(a, b);
return 0;
}
g++ -S demo_06.cpp -o demo.S
// demo_06.S
.file "demo_06.cpp"
.local _ZStL8__ioinit
.comm _ZStL8__ioinit,1,1
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB1022:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $32, %rsp
movl $1, -16(%rbp)
movl $2, -12(%rbp)
movl -12(%rbp), %edx
movl -16(%rbp), %eax
movl %edx, %esi
movl %eax, %edi
call _Z3MaxIiET_S0_S0_
movss .LC0(%rip), %xmm0
movss %xmm0, -8(%rbp)
movss .LC1(%rip), %xmm0
movss %xmm0, -4(%rbp)
movss -4(%rbp), %xmm0
movl -8(%rbp), %eax
movaps %xmm0, %xmm1
movl %eax, -20(%rbp)
movss -20(%rbp), %xmm0
call _Z3MaxIfET_S0_S0_
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1022:
.size main, .-main
.section .text._Z3MaxIiET_S0_S0_,"axG",@progbits,_Z3MaxIiET_S0_S0_,comdat
.weak _Z3MaxIiET_S0_S0_
.type _Z3MaxIiET_S0_S0_, @function
_Z3MaxIiET_S0_S0_:
.LFB1023:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl %edi, -4(%rbp)
movl %esi, -8(%rbp)
movl -4(%rbp), %eax
cmpl -8(%rbp), %eax
jle .L4
movl -4(%rbp), %eax
jmp .L6
.L4:
movl -8(%rbp), %eax
.L6:
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1023:
.size _Z3MaxIiET_S0_S0_, .-_Z3MaxIiET_S0_S0_
.section .text._Z3MaxIfET_S0_S0_,"axG",@progbits,_Z3MaxIfET_S0_S0_,comdat
.weak _Z3MaxIfET_S0_S0_
.type _Z3MaxIfET_S0_S0_, @function
_Z3MaxIfET_S0_S0_:
.LFB1024:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movss %xmm0, -4(%rbp)
movss %xmm1, -8(%rbp)
movss -4(%rbp), %xmm0
ucomiss -8(%rbp), %xmm0
jbe .L13
movss -4(%rbp), %xmm0
jmp .L11
.L13:
movss -8(%rbp), %xmm0
.L11:
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1024:
.size _Z3MaxIfET_S0_S0_, .-_Z3MaxIfET_S0_S0_
.text
.type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB1025:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl %edi, -4(%rbp)
movl %esi, -8(%rbp)
cmpl $1, -4(%rbp)
jne .L16
cmpl $65535, -8(%rbp)
jne .L16
movl $_ZStL8__ioinit, %edi
call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev
movl $__dso_handle, %edx
movl $_ZStL8__ioinit, %esi
movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi
call __cxa_atexit
.L16:
nop
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1025:
.size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
.type _GLOBAL__sub_I_main, @function
_GLOBAL__sub_I_main:
.LFB1026:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $65535, %esi
movl $1, %edi
call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1026:
.size _GLOBAL__sub_I_main, .-_GLOBAL__sub_I_main
.section .init_array,"aw"
.align 8
.quad _GLOBAL__sub_I_main
.section .rodata
.align 4
.LC0:
.long 1073741824
.align 4
.LC1:
.long 1077936128
.hidden __dso_handle
.ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.5) 5.4.0 20160609"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
结论：
- 编译器并不是把函数模板处理成能够处理任意类型的函数
- 编译器从函数模板通过具体类型产生不同的函数
类模板的使用
为什么需要类模板
1.为什么需要类模板
类模板与函数模板的定义和使用类似，有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同，我们可以通过如下面语句声明了一个类模板：
// demo 15-7.c
template <typename T>
class A
{
public:
A(T t)
{
this->t = t;
}
T &getT()
{
return t;
}
public:
T t;
};
Ø 类模板用于实现类所需数据的类型参数化
Ø 类模板在表示支持多种数据结构显得特别重要，这些数据结构的表示和算法不受所包含的元素类型的影响
类模板的定义
类模板由模板说明和类说明构成
模板说明同函数模板，如下：
*template* <类型形式参数表>
类声明
例如：
template
class ClassName
{
//ClassName 的成员函数
private ：
Type DataMember;
}
单个类模板的使用
// demo 15-8.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
class A
{
public:
//函数的参数列表使用虚拟类型
A(T t=0)
{
this->t = t;
}
//成员函数返回值使用虚拟类型
T &getT()
{
return t;
}
private:
//成员变量使用虚拟类型
T t;
};
void printA(A<int> &a){
cout<<a.getT()<<endl;
}
int main(void){
//1.模板类定义类对象，必须显示指定类型
//2.模板种如果使用了构造函数，则遵守以前的类的构造函数的调用规则
A<int> a(666);
cout<<a.getT()<<endl;
//模板类做为函数参数
printA(a);
system("pause");
return 0;
}
继承中类模板的使用
// demo 15-9.c
#include <iostream>
using namespace std;
//继承中父子类和模板类的结合情况
//1.父类一般类，子类是模板类, 和普通继承的玩法类似
//2.子类是一般类，父类是模板类,继承时必须在子类里实例化父类的类型参数
//3.父类和子类都时模板类时，子类的虚拟的类型可以传递到父类中
/*class B
{
public:
B(int b)
{
this->b = b;
}
private:
int b;
};
*/
template <typename T>
class A
{
public:
//函数的参数列表使用虚拟类型
A(T t)
{
this->t = t;
}
//成员函数返回值使用虚拟类型
T &getT()
{
return t;
}
private:
//成员变量使用虚拟类型
T t;
};
template <typename Tb>
class B: public A<int>
{
public:
B(Tb b):A<Tb>(b)
{
this->b = b;
}
private:
Tb b;
};
void printA(A<int> &a){
cout<<a.getT()<<endl;
}
int main(void){
//1.模板类定义类对象，必须显示指定类型
//2.模板种如果使用了构造函数，则遵守以前的类的构造函数的调用规则
A<int> a(666);
cout<<a.getT()<<endl;
B<int> b(888);
cout<<"b(888): "<<b.getT()<<endl;
//模板类做为函数参数
printA(a);
system("pause");
return 0;
}
结论: 子类从模板类继承的时候,需要让编译器知道 父类的数据类型具体是什么
1.父类一般类，子类是模板类, 和普通继承的玩法类似
2.子类是一般类，父类是模板类,继承时必须在子类里实例化父类的类型参数
3.父类和子类都时模板类时，子类的虚拟的类型可以传递到父类中
类模板的三种表述方式
所有的类模板函数写在类的外部，在一个cpp中
// demo 15-9.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
class A
{
public:
A(T t=0);
T &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
private:
T t;
};
/*
class A
{
public:
A(int t=0);
int &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
private:
int t;
};
*/
template <typename T>
A<T>::A(T t)
{
this->t = t;
}
template <typename T>
T &A<T>::getT()
{
return t;
}
template <typename T>
A<T> A<T>::operator+(const A<T> &other){
A<T> tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
template <typename T>
void A<T>::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
int main(void){
A<int> a(666), b(888);
//cout<<a.getT()<<endl;
A<int> tmp = a + b;
tmp.print();
system("pause");
return 0;
}
总结
在同一个cpp 文件中把模板类的成员函数放到类的外部，需要注意以下几点
-
函数前声明 *template* <类型形式参数表>
-
类的成员函数前的类限定域说明必须要带上虚拟参数列表
-
返回的变量是模板类的对象时必须带上虚拟参数列表
-
成员函数参数中出现模板类的对象时必须带上虚拟参数列表
-
成员函数内部没有限定
所有的类模板函数写在类的外部，在不同的.h和.cpp中
// demo.h
#pragma once
template <typename T>
class A
{
public:
A(T t=0);
T &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
private:
T t;
};
// demo 15-10.c
#include "demo.h"
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
A<T>::A(T t)
{
this->t = t;
}
template <typename T>
T &A<T>::getT()
{
return t;
}
template <typename T>
A<T> A<T>::operator+(const A<T> &other){
A<T> tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
template <typename T>
void A<T>::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
int main(void){
A<int> a(666), b(888);
//cout<<a.getT()<<endl;
A<int> tmp = a + b;
tmp.print();
system("pause");
return 0;
}
****注意：****当类模板的声明(.h文件)和实现(.cpp 或.hpp文件)完全分离，因为类模板的特殊实现，我们应在使用类模板时使用#include 包含 实现部分的.cpp 或.hpp文件。
特殊情况- 友元函数
// demo 15-11.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
class A
{
public:
A(T t=0);
//声明一个友元函数，实现对两个A类对象进行加法操作
template <typename T>
friend A<T> addA(const A<T> &a, const A<T> &b);
T &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
private:
T t;
};
template <typename T>
A<T>::A(T t)
{
this->t = t;
}
template <typename T>
T &A<T>::getT()
{
return t;
}
template <typename T>
A<T> A<T>::operator+(const A<T> &other){
A tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
template <typename T>
void A<T>::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
//A 类的友元函数,就是它的好朋友
template <typename T>
A<T> addA(const A<T> &a, const A<T> &b){
A<T> tmp;
cout<<"call addA()..."<<endl;
tmp.t = a.t + b.t;
return tmp;
}
int main(void){
A<int> a(666), b(888);
//cout<<a.getT()<<endl;
A<int> tmp = a + b;
A<int> tmp1 = addA<int>(a, b);
tmp.print();
tmp1.print();
system("pause");
return 0;
}
模板类和静态成员
// demo 15-12.c
#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
class A
{
public:
A(T t=0);
T &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
public:
static int count;
private:
T t;
};
template <typename T> int A<T>::count = 666;
template <typename T>
A<T>::A(T t)
{
this->t = t;
}
template <typename T>
T &A<T>::getT()
{
return t;
}
template <typename T>
A<T> A<T>::operator+(const A<T> &other){
A tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
template <typename T>
void A<T>::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
/*
//当我们的虚拟的类型T被 int 实例化以后，模板类如下：
class A
{
public:
A(int t=0);
int &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
public:
static int count;
private:
int t;
};
int A::count = 666;
A::A(int t)
{
this->t = t;
}
int &A::getT()
{
return t;
}
A A::operator+(const A &other){
A tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
void A::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
*/
/*
//当我们的虚拟的类型T被 float 实例化以后，模板类如下：
class A
{
public:
A(float t=0);
float &getT();
A operator +(const A &other);
void print();
public:
static int count;
private:
float t;
};
int A::count = 666;
A::A(float t)
{
this->t = t;
}
float &A::getT()
{
return t;
}
A A::operator+(const A &other){
A tmp; //类的内部类型可以显示声明也可以不显示
tmp.t =this->t + other.t;
return tmp;
}
void A::print(){
cout<<this->t<<endl;
}
*/
int main(void){
A<int> a(666), b(888);
A<int> tmp = a + b;
//A a(666), b(888);
//A tmp = a + b;
A<float> c(777), d(999);
a.count = 888;
cout<<"b.count:"<<b.count<<endl;
cout<<"c.count:"<<c.count<<endl;
cout<<"d.count:"<<d.count<<endl;
c.count = 1000;
cout<<"修改后, d.count:"<<d.count<<endl;
//tmp.print();
system("pause");
return 0;
}
类模板使用总计
归纳以上的介绍，可以这样声明和使用类模板：
-
先写出一个实际的类。
-
将此类中准备改变的类型名(如int要改变为float或char)改用一个自己指定的虚拟类型名(如上例中的T)。
-
在类声明前面加入一行，格式为：
template <typename 虚拟类型参数>
如：
template <typename numtype>
class A
{…}; //类体
-
用类模板定义对象时用以下形式：
类模板名<实际类型名> 对象名;
或 类模板名<实际类型名> 对象名(实参表列);
如：
A<int> cmp;
A<int> cmp(3,7);
-
如果在类模板外定义成员函数，应写成类模板形式：
template <typename 虚拟类型参数>
函数类型 类模板名<虚拟类型参数>::成员函数名(函数形参表列) { …}
关于类模板的几点 补充
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类模板的类型参数可以有一个或多个，每个类型前面都必须加typename 或class，如：
template <typename T1,typename T2>
class someclass
{…};
在定义对象时分别代入实际的类型名，如：
someclass<int, char> object;
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和使用类一样，使用类模板时要注意其作用域，只有在它的有效作用域内用使用它定义对象。
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模板类也可以有支持继承，有层次关系，一个类模板可以作为基类，派生出派生模板类。