C++类模板用法详解

如果需要的多个函数具有相同的解决问题的逻辑，只是它们所使用的形参的类型不同，则可以使用函数模板。同样，如果需要的多个类仅在其某些数据成员的类型方面有所不同，或者仅在其成员函数的形参类型方面有所不同，则都可以使用类模板。

声明一个类模板和声明一个函数模板类似，可以使用诸如 T、T1、T2 之类的标识符（或者由程序员选择的任何其他标识符）作为泛型来编写类，然后使用正确编写的模板头作为类声明的前缀。

例如，假设要定义一个类，用来表示一个泛型类型的数组，并添加一个重载运算符 [] 以执行边界检查，则可以定义 SimpleVector 类，并输入适当的数据成员和构造函数，按以下方式编写模板：

template<class T>
class SimpleVector
{
        unique_ptr<T []>aptr;
        int arraysize;
    public:
        SimpleVector (int) ; // 构造函数
        SimpleVector (const SimpleVector &) ; // 复制构造函数
        int size () const{ return arraySize; }
        T &operator [] (int) ; // 重载[]运算符
        void print () const; // 输出数组元素
};

这个类模板将把类型 T 的元素存储在一个动态生成的数组中。这就解释了为什么指向这个数组底部的指针 aptr 被声明为 T[] 类型的指针。这里使用了 unique_ptr 独占指针作为 aptr 的类型，因为 SimpleVector 对象将不会和程序的其他部分共享动态分配的数组。

同样，重载的数组下标运算符返回一个 T 类型的值。但需要注意的是，size 成员函数返回的值和表示存储在数组中的元素数量的成员 armySize 都是 int 类型。这是有道理的，因为无论数组存储的元素数据是什么类型，数组中元素的数量总是一个整数。

可以将 SimpleVector 模板看作一种通用模式，通过对它进行特殊化即可创建多个不同的 SimpleVector 类，以保存 double、long、string 或任何其他可以定义的类型。规则是在类模板的名称 SimpleVector 后面附加一个实际类型的列表（以尖括号括起来），从而形成一个实际的类的名称，示例如下：

• SimpleVector <double> 是存储 double 数组的类的名称。
• SimpleVector <string> 是存储 string 数组的类的名称。
• SimpleVector <char> 是存储 char 数组的类的名称。

现在来看一个定义 SimpleVector 对象的示例，它通过使用转换构造函数创建了一个包含 10 个 double 类型元素的数组。

在类中定义一个模板类的成员函数是很简单的，例如，在 SimpleVector 类中即可轻松定义 size() 函数。但是，如果要在类的外面定义成员函数，则必须使用模板头来给成员函数的定义添加前缀（该模板头指定了类型形参的列表），然后在定义中还需要使用类模板的名称，后面还要跟着一个类型形参的列表（使用尖括号括起来）。

现在使用运算符 [] 函数来说明如何在类外部定义成员函数：

template<class T>
T &SimpleVector<T>::operator[](int sub)
{
    if(sub < 0 || sub >= arraySize)
        throw IndexOutOfRangeException(sub)
    return aptr[sub];
}

在这个定义中，由于作用域解析运算符（::）之前需要类的名称，所以在该位置添加了 SimpleVector <T>。以下是另外一个示例，它是转换构造函数的定义：

template<class T>
SimpleVector<T>::SimpleVector(int s)
{
    arraySize = s;
    aptr = make_unique<T[]> (s);
    for (int count = 0; count < arraySize; count++)
        aptr[count] = T();
}

在该示例中，需要在作用域解析运算符之前有 SimpleVector <T>，但是在作用域解析运算符之后，却只有 SimpleVector，而没有 <T>，这是因为在作用域解析运算符后面需要的不是类的名称，而是成员函数的名称，在这种情况下恰好是构造函数。

将类型形参列表附加到模板类名称的规则有一个例外。只要该类的名称在模板类的作用域内，则该列表和包含它的尖括号就可以省略。因此，当一个类的名称在类本身的任何地方被使用，或者位于被定义在类之外的成员函数的局部作用域内时，该列表即可被省略。

例如，来看以下复制构造函数：

template<class T>
SimpleVector<T>::SimpleVector(const SimpleVector &obj)
{
    arraySize = obj.arraySize;
    aptr = make_unique<T []>(arraySize);
    for (int count = 0; count < arraySize; count++)
        aptr[count] = obj[count];
}

该函数就不需要将 <T> 附加到 SimpleVector 以表示其参数类型。

SimpleVector 的转换构造函数假定类型形参T在执行赋值语句 "aptr[count] = T();" 时有一个默认的构造函数 T()。如果T是基础类型，则 C++ 编译器将使用默认值 0 替换 T()。例如，如果 T 是 int，那么该赋值语句相当于 aptr[count] = int()，并且值 0 将被存储在 aptr[count] 中。

SimpleVector 模板的代码在 SimpleVector.h 文件中列出。

//SimpleVector.h
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <memory>
using namespace std;

// Exception for index out of range
struct IndexOutOfRangeException
{
    const int index;
    IndexOutOfRangeException(int ix) :
    index(ix) {}
};

template <class T>
class SimpleVector
{
        unique_ptr<T []> aptr;
        int arraySize;
    public:
        SimpleVector(int); // Constructor
        SimpleVector(const SimpleVector &); // Copy constructor
        int size() const { return arraySize; }
        T &operator[](int);    // Overloaded [] operator
        void print () const; //    outputs the array elements
};
template <class T>
SimpleVector<T>::SimpleVector(int s)
{
    arraySize = s;
    aptr = make_unique<T[]>(s);
    for (int count = 0; count < arraySize; count++)
        aptr[count] = T();
}
template <class T>
SimpleVector<T>::SimpleVector(const SimpleVector &obj)
{
    arraySize = obj.arraySize;
    aptr = make_unique<T[]>(obj.arraySize);
    for (int count = 0; count < arraySize; count++)
        aptr[count] = obj[count];   
}
template <class T>
T &SimpleVector<T>::operator[](int sub)
{
    if (sub < 0 || sub >= arraySize)
        throw IndexOutOfRangeException(sub);
    return aptr[sub];
}

template <class T>
void SimpleVector<T>::print() const
{
    for (int k = 0; k < arraySize; k++)
        cout << aptr [k] << " ";
    cout << endl;
}

下面的程序演示了 SimpleVector 模板的使用：

//This program demonstrates the SimpleVector template.
#include <iostream>
#include "SimpleVector.h"
using namespace std;

int main()
{
    const int SIZE = 10;
    SimpleVector<int> intTable (SIZE);
    SimpleVector<double> doubleTable(SIZE);
    // Store values in the arrays
    for (int x = 0; x < SIZE; x++)
    {
        intTable[x] = (x * 2);
        doubleTable[x] = (x * 2.14);
    }
    // Display the values in the arrays
    cout << "These values are in intTable:\n";
    intTable.print();
    cout << "These values are in doubleTable:\n";
    doubleTable.print ();
    // Use the built-in + operator on array elements
    for (int x = 0; x < SIZE; x++)
    {   
        intTable[x] = intTable[x] + 5;
        doubleTable[x] = doubleTable[x] + 1.5;
    }
    // Display the values in the array
    cout << "These values are in intTable:\n";
    intTable.print ();
    cout << "These values are in doubleTable:\n"; doubleTable.print ();
    // Use the built-in ++ operator on array elements
    for (int x = 0; x < SIZE; x++)
    {
        intTable[x]++;
        doubleTable[x]++;
    }
    // Display the values in the array
    cout << "These values are in intTable:\n";
    intTable.print ();
    cout << "These values are in the doubleTable: \n";
    doubleTable.print();
    cout << endl;
    return 0;
}

程序输出结果：

注意，在包含驱动模块代码的文件中已经 include 包含模板代码的文件，这样可以避免单独链接已编译的使用模板的文件，降低复杂性。