笨鳥先飛學(xué)編程系列C高級(jí)特性之模板

1、笨鳥先飛學(xué)編程系列-C+高級(jí)特性之模板當(dāng)我們?cè)絹碓蕉嗟氖褂肅+的特性, 將越來越多的問題和事物抽象成對(duì)象時(shí)， 我們不難發(fā)現(xiàn)：很多對(duì)象都具有共性。 比如 數(shù)值可以增加、減少；字符串也可以增加減少。 它們的動(dòng)作是相似的， 只是對(duì)象的類型不同而已。C+ 提供了“模板”這一特性， 可以將“類型” 參數(shù)化， 使得編寫的代碼更具有通用性。 因此大家都稱模板編程為 “通用編程”或 “泛型編程”。一般而言， 模板分為 函數(shù)模板 和 類模板，下面就讓我們分別來了解一下它們。一、 函數(shù)模板1、 函數(shù)模板的定義和使用定義一個(gè)模板函數(shù)的格式并不復(fù)雜， 如下：template <模板參數(shù)列表>返回類型 函數(shù)

2、名(函數(shù)參數(shù)列表) / code .下面， 讓我們來舉一個(gè)例子來說明 模板函數(shù)的作用和用法（具體代碼見 Exp01）。/ 定義一個(gè)函數(shù)模板， 用來實(shí)現(xiàn)任意類型數(shù)據(jù)的相互交換。template <typename T>/ 聲明一個(gè) T 數(shù)據(jù)類型， 此類型隨 調(diào)用方 類型的變化而變化void swap(T& a, T& b) T tmp = a; a = b; b = tmp; 上面的代碼， 說明了模板函數(shù)的用法。下面再給出調(diào)用的代碼， 我們看看如何使用這個(gè)函數(shù)模板：int main(int argc, char* argv) int nNum1 = 50; int n

3、Num2 = 30; double dfNum1 = 2.1; double dfNum2 = 3.0; char *pszFirst = "Hello " char *pszSec = "world!" swap <int> (nNum1, nNum2);/ 將swap函數(shù)模板實(shí)例化為 int類型的模板函數(shù)再調(diào)用 printf("nNum1 = %d, nNum2 = %drn", nNum1, nNum2); swap<double> (dfNum1, dfNum2); printf("dfNum

4、1 = %f, pszSec = %frn", dfNum1, dfNum2); swap<char *> (pszFirst, pszSec); printf("pszFirst = %s, pszSec = %srn", pszFirst, pszSec);return 0;具體的執(zhí)行結(jié)果如下：我相信，如果你是第一次見到模板的代碼，那你一定也會(huì)像我一樣好奇，這個(gè)功能是怎么實(shí)現(xiàn)的，它是怎么做到讓一段代碼來兼容各種類型的呢？當(dāng)我要反匯編該EXE得時(shí)候，無意間查看了下編程生成的map文件，讓我看到了如下的內(nèi)容： Address Publics by Va

5、lueRva+BaseLib:Object0001:00000140?swapYAXAAH0Z00401140 f iExp01.obj0001:00000190?swapYAXAAN0Z00401190 f iExp01.obj0001:000001f0?swapYAXAAPAD0Z004011f0 f iExp01.obj由此可見， 我們編寫的void swap(T& a, T& b)， 只是一個(gè)“函數(shù)模板”， 要使用它需要先將它實(shí)例化為一個(gè)“模板函數(shù)”（如：swap <int>）。編譯器在編譯此程序的時(shí)候，為每個(gè)調(diào)用此模板的代碼生成了一個(gè)函數(shù)。而且在后期的使用

6、過程中，更加讓我認(rèn)識(shí)到：a、 函數(shù)模板 并不是函數(shù)，它僅在編譯時(shí)根據(jù)調(diào)用此模板函數(shù)時(shí)傳遞的實(shí)參類型來生成具體的函數(shù)體！若 函數(shù)模板沒有被調(diào)用責(zé)不生成任何代碼也不對(duì)模板代碼作任何語法檢查。b、 在模板類型參數(shù)中， 實(shí)參與形參要求嚴(yán)格匹配，它不會(huì)進(jìn)行任何的類型轉(zhuǎn)換。c、 對(duì)于函數(shù)模板，我們?cè)谡{(diào)用時(shí)不一定必須先進(jìn)行將它實(shí)例化為一個(gè)函數(shù)也是可以的，編譯器會(huì)自動(dòng)的識(shí)別模板的類型。（換句話說：Exp01中的代碼可以直接使用swap， 而不需要<>）2、 函數(shù)模板的重載當(dāng)編寫的一個(gè)模板無法滿足所有需要的情況時(shí)，就需要對(duì)模板進(jìn)行重載（或叫 特例化），例如：我們編寫了一個(gè)較大值的模板Max：temp

7、late <typename T>T* const& Max(T const& a, T const& b) return a < b ? b : a;A、 當(dāng)我們需要傳入兩個(gè)指針類型的實(shí)參時(shí)，該模板就失效了，需要重載該模板：template <typename T>T* const& Max(T* const& a, T* const& b) return *a < *b ? *b : *a;B、 倘若我們?cè)傩枰容^兩個(gè)字符串大小時(shí)，上面兩個(gè)模板都失效了。因?yàn)閏har* 并沒有提供 operator <

8、 運(yùn)行，我們只能通過調(diào)用strcmp庫函數(shù)自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)Max模板的特例（見Exp02）：const char* Max(const char*& a, const char*& b) return strcmp(a, b) < 0 ? b : a;說明：C+模板機(jī)制規(guī)定，如果一個(gè)調(diào)用，即匹配普通函數(shù)，又能匹配模板函數(shù)的話，則優(yōu)先匹配普通函數(shù)。因此，當(dāng)我們模板特例化的時(shí)候，會(huì)先匹配特例化的函數(shù)。二、 類模板1、 基本概念類模板一般應(yīng)用于容器類中，使得容器能夠處理各種類型的對(duì)象，如（詳見Exp03）：struct Node Node( int nData = 0 ) m_nD

9、ata = nData; m_pPrev = m_pNext = NULL; int m_nData;/ 數(shù)據(jù)元素 Node* m_pPrev;/ 指向上一個(gè)元素的指針 Node* m_pNext;/ 指向下一個(gè)元素的指針;class CDListprivate: int m_nCount; Node* m_pHead; Node* m_pTail; int m_nMessage;public:CDList();virtual CDList();public:int GetLen() constm_nCount;Node* GetHead() constreturn m_pHead;Node*

10、 GetTail() constreturn m_pTail;public:bool Change(int nIndex1,int nIndex2);void Release();/增加Node* AddTail( int nData );Node* AddHead( int nData );Node* operator(int nIndex);/刪除bool DeleteNode( int nIndex );void PrintAll();/查找Node* FindNode( int nIndex );對(duì)于這樣的鏈表，其節(jié)點(diǎn)的元素只能存放整型數(shù)據(jù)。如果要想讓此雙向鏈表能夠存放任何一種類型的元

11、素，那此時(shí)我們需要的問題與函數(shù)模板就一樣了，將此類修改成類模板，現(xiàn)在先不管類模板的寫法，讓我們按照函數(shù)模板的方法將類修改一下：template <typename T>struct Node Node( T Data ) m_Data = Data; m_pPrev = m_pNext = NULL; Tm_Data; / 通用類型的數(shù)據(jù)元素 Node<T>* m_pPrev;/ 指向上一個(gè)元素的指針 Node<T>* m_pNext;/ 指向下一個(gè)元素的指針;這樣，我們每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以使用通用的類型了，當(dāng)然，對(duì)節(jié)點(diǎn)的處理也一樣得處理。按照這個(gè)樣子將類型參數(shù)化

12、（為節(jié)省篇幅，具體的實(shí)現(xiàn)部分請(qǐng)參考Exp04）：template <typename T>class CDListprivate:int m_nMessage;/ 消息號(hào)int m_nCount;/ 鏈表中 元素的數(shù)量Node<T>*m_pHead;/ 鏈表頭指針Node<T>*m_pTail;/ 鏈表尾指針public:CDList();virtual CDList();public:int GetLen() constm_nCount;Node<T>* GetHead() constreturn m_pHead;Node<T>*

13、GetTail() constreturn m_pTail;public:bool Change(int nIndex1,int nIndex2);void Release();/增加Node<T>* AddTail( T Data );Node<T>* AddHead( T Data );Node<T>* operator(int nIndex);/刪除bool DeleteNode( int nIndex );void PrintAll();/查找Node<T>* FindNode( int nIndex );這樣就修改好了，很簡(jiǎn)單吧，貌似類

14、模板沒有什么太多的新語法規(guī)范。完整的模板代碼，大家可以參考Exp04，下面我們總結(jié)一下類模板的一些語法小細(xì)節(jié)。2、 類模板的定義通過上面的一番修改，我相信你一定對(duì)類模板有了一定的了解，下面我們大致的總結(jié)一下類模板的定義格式：Template <typename T>Class 類名/ code，可以使用模板參數(shù)T來指定通用的數(shù)據(jù)類型。正如上面的Exp04中一樣，我們的模板寫好了，但是它不能直接使用，就像函數(shù)模板一樣，我們需要先將模板實(shí)例化成一個(gè)模板類才可以使用。在函數(shù)模板中，編譯器會(huì)針對(duì)我們傳遞的實(shí)參類型等信息自動(dòng)的給我們實(shí)例化函數(shù)模板為模板函數(shù)，但是類模板就沒有這么智能了，必須手

15、工實(shí)例化：int main(int argc, char* argv)CDList<int> MyList;/ 將CDList實(shí)例化為一個(gè)int類型，也就是說鏈表中數(shù)據(jù)元素為整型/(20) (80) 100 200 50 60MyList.AddTail(20);MyList.AddTail(80);MyList.AddTail(100);MyList.AddTail(200);MyList.AddTail(50);MyList.AddTail(60);MyList.PrintAll();MyList.Change(0,1);MyList.PrintAll();return 0;程

16、序執(zhí)行結(jié)果：總結(jié)：a、 類模板 同樣也不是類，它僅在編譯時(shí)根據(jù)實(shí)例化本模板時(shí)傳遞的實(shí)參來生成具體的類代碼！若 類模板沒有被實(shí)例化也沒有被調(diào)用，那編譯器不會(huì)為本模板生成任何代碼也不對(duì)模板代碼作任何語法檢查。3、 類模板的特化類模板的特化又被叫做類模板的定做，首先讓我們來了解下什么叫作定做。通過上面幾個(gè)小節(jié)的學(xué)習(xí)，我相信，大家都知道模板不能直接被使用：必須先給模板傳遞一個(gè)實(shí)參，將它實(shí)例化為一個(gè)模板類，然后才可以用它來定義具體的對(duì)象。這樣就隱含了一個(gè)問題：我們通過給模板傳遞一個(gè)實(shí)參來實(shí)例化的模板類中的代碼都是在模板中定義好的，如果我們不能用與定義好的模板代碼來生成模板類，這時(shí)就需要使用模板的特化，也

17、就是“定做”。比如，我們剛才寫好的雙向鏈表模板中，對(duì)于某一個(gè)類（比如CStudent）來說，不允許添加重復(fù)的節(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于像普通的int，double等數(shù)據(jù)類型以及其它一些類時(shí)，又不需要有這類的限制。這時(shí)我們就需要將此雙向鏈表模板針對(duì)這個(gè)不允許有重復(fù)節(jié)點(diǎn)的類（如：CStudent）進(jìn)行特化，大致代碼如下：template <>class CDList<CStudent>private:int m_nMessage;/ 消息號(hào)int m_nCount;/ 鏈表中 元素的數(shù)量Node<CStudent>*m_pHead;/ 鏈表頭指針Node<CStude

18、nt>*m_pTail;/ 鏈表尾指針public:bool Change(int nIndex1,int nIndex2);void Release();/增加Node<CStudent>* AddTail( CStudent Data );Node<CStudent>* AddHead( CStudent Data );Node<CStudent>* operator(int nIndex);/刪除bool DeleteNode( int nIndex );void PrintAll();/查找Node<CStudent>* FindN

19、ode( int nIndex );Node<CStudent>* CDList<CStudent>:AddTail( CStudent Data )Node<CStudent>* pNewNode = new Node<CStudent>(Data);if ( m_pTail )m_pTail->m_pNext = pNewNode;pNewNode->m_pPrev = m_pTail;if ( m_pTail = NULL )m_pHead = pNewNode;m_pTail = pNewNode;m_nCount+;retu

20、rn pNewNode;由此可知，為CStudent類定做的CDList模板類，就是以CDList<CStudent>為類名重寫一份CDList<CStudent>實(shí)現(xiàn)而拋棄編譯器為我們生成的CDList<CStudent>類。當(dāng)一個(gè)模板擁有多個(gè)模板參數(shù)時(shí)，如果我們只對(duì)其部分參數(shù)定做則稱為“局部定做”，這樣定做出來的“物件”仍然是一個(gè)模板，因?yàn)槲覀冎惶鼗艘徊糠帜０鍏?shù).說明：剛才，我們?yōu)镃Student類定做的CDList模板類，其實(shí)我們沒有必要將整個(gè)CDList<CStudent>類都寫一遍，只需要重寫Add函數(shù)即可，例如：Template&

21、lt;>CDList<CStudent>:Add(CStudent& n)當(dāng)然，這樣的代碼，需要寫在Cpp文件中，并在.h文件中聲明。三、 模板程序的組織當(dāng)然，如果你足夠細(xì)心，你一定會(huì)好奇，為什么我給的例子中，模板的代碼都寫在頭文件中（.h文件），這里我們就討論模板代碼的組織方式。C+支持兩種模板代碼的組織方式，分別是包含方式（我們使用的就是包含方式）和分離方式。這兩種組織方式?jīng)]有太根本的區(qū)別，就是一個(gè)將代碼全寫在頭文件中，分離方式是像寫類一樣聲明和定義分別寫在頭文件（.h文件）和實(shí)現(xiàn)文件（cpp文件）中。下面我們分別討論下這兩種代碼組織方式。1、 包含方式本專題中，

22、所有的實(shí)例代碼中的模板代碼都是以包含方式組織的。因?yàn)楹枚嗟木幾g器（如VC6的cl）并不支持分離方式組織代碼，將代碼寫在頭文件也只是方便編譯器的預(yù)處理工作能方便的將.h文件中的代碼根據(jù)模板實(shí)參的類型生成相應(yīng)的模板類。當(dāng)然，將代碼都寫在頭文件中還有一點(diǎn)點(diǎn)小要求：A、 如果模板的成員函數(shù)寫在類外，則需要寫成如下樣式（見Exp04）：template <typename T>/ 每個(gè)類外成員函數(shù)前都要有這句Node<T>* CDList<T>:AddTail( T Data )Node<T>* pNewNode = new Node<T>(D

23、ata);if ( m_pTail )m_pTail->m_pNext = pNewNode;pNewNode->m_pPrev = m_pTail;if ( m_pTail = NULL )m_pHead = pNewNode;m_pTail = pNewNode;m_nCount+;return pNewNode;B、 對(duì)于特化的代碼則需要在.h文件中聲明并在.cpp文件中定義，如果都寫在.h文件中編譯會(huì)報(bào)重定義錯(cuò)誤。2、 分離方式上面已經(jīng)提到過，所謂的分離方式組織代碼，就是將模板的聲明和定義分別寫在頭文件（.h文件）和實(shí)現(xiàn)文件（cpp文件）中，需要注意的是，并不是所有的編譯器都支持這種寫法，目前我只知道GCC支持這種寫法。當(dāng)然，分離方式組織代碼也有個(gè)小要求，就是在模板的聲明和定義的template關(guān)鍵字前都加上export關(guān)鍵字。比如：/ .h 頭文件中export template <typename T>class CDListpublic:CDList();virtual CDList();public:bool Change(int nIndex1,int nIndex2);void Release();/增加Node<T>* Ad