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Step By Step(C++模板类)

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

    和函数一样，C++中的class也可以类型参数化，其中容器类是极具这一特征的。对于模板类的基本定义和使用，可以参考STL，这里就不做过多的赘述了。下面将主要介绍一下与其相关的高级实用特征。

一、模板的特化：

    这里可以先将类模板特化与面向对象中的多态进行一个简单的比较，这样可以便于我们对它的理解，也同样有助于指导我们在实际的开发中应用这一C++技巧。众所周知，对于多态而言，提供的是统一的接口和不同的实现类实例，其最终的行为将取决于实现类中的实现，相信每一个有面向对象基础的开发者对于这一概念并不陌生。而模板特化则要求必须提供一个标准的模板类(等同于多态中的接口)，与此同时再为不同的类型提供不同的特化版本。在模板特化类中，我们首先需要保证类名是相同的，只是模板参数不再使用抽象的类型，而是直接使用具体的类型来实例化该模板类。在调用时，编译器会根据调用时的类型参数自动选择最为合适的模板类，即如果有特化模板类中的类型参数和当前调用类型相匹配的话，则首选该特化模板类，否则选择最初的标准模板类。见如下用例(请注意代码中的说明性注释)：

  1     #include <stdio.h>
  2     #include <string.h>
  3     
  4     //1. 这里我们先声明了一个通用类型的模板类。这里要有类型参数必须包含hashCode()方法。
  5     //否则，该类型在编译期实例化时将会导致编译失败。
  6     template <typename T>
  7     class CalcHashClass { //该类为标准模板类(等同于多态中的接口)
  8     public:
  9         CalcHashClass(T const& v) : _value(v) {
 10         }
 11         int hashCode() {
 12             printf("This is 'template <typename T> class CalcHashClass'.\n");
 13             return _value.hashCode() + 10000;
 14         }
 15     private:
 16         T _value;
 17     };
 18     
 19     //2. int类型实例化特化模板类。
 20     template <>
 21     class CalcHashClass<int> {
 22     public:
 23         CalcHashClass(int const& v) : _value(v) {
 24         }
 25         int hashCode() {
 26             printf("This is 'template <> class CalcHashClass<int>'.\n");
 27             return _value * 101;
 28         }
 29     private:
 30         int _value;
 31     };
 32     
 33     //3. const char*类型实例化的特化模板类
 34     template<>
 35     class CalcHashClass<const char*> {
 36     public:
 37         CalcHashClass(const char* v) {
 38             _v = new char[strlen(v) + 1];
 39             strcpy(_v,v);
 40         }
 41         ~CalcHashClass() {
 42             delete [] _v;
 43         }
 44         int hashCode() {
 45             printf("This is 'template <> class CalcHashClass<const char*>'.\n");
 46             int len = strlen(_v);
 47             int code = 0;
 48             for (int i = 0; i < len; ++i)
 49                 code += (int)_v[i];
 50             return code;
 51         }
 52     
 53     private:
 54         char* _v;
 55     };
 56     
 57     //4. 辅助函数，用于帮助调用者通过函数的参数类型自动进行类型推演，以让编译器决定该
 58     //实例化哪个模板类。这样就可以使调用者不必在显示指定模板类的类型了。这一点和多态有
 59     //点儿类似。
 60     template<typename T>
 61     inline int CalcHashCode(T v) {
 62         CalcHashClass<T> t(v);
 63         return t.hashCode();
 64     }
 65     
 66     //5. 给出一个范例类，该类必须包含hashCode方法，否则将造成编译错误。
 67     class TestClass {
 68     public:
 69         TestClass(const char* v) {
 70             _v = new char[strlen(v) + 1];
 71             strcpy(_v,v);
 72         }
 73         ~TestClass() {
 74             delete [] _v;
 75         }
 76     public:
 77         int hashCode() {
 78             int len = strlen(_v);
 79             int code = 0;
 80             for (int i = 0; i < len; ++i)
 81                 code += (int)_v[i];
 82             return code;
 83         }
 84     private:
 85         char* _v;
 86     };
 87     
 88     int main() {
 89         TestClass tc("Hello");
 90         CalcHashClass<TestClass> t1(tc);
 91         printf("The hashcode is %d.\n",t1.hashCode());
 92         //这里由于为模板类TestClass提供了基于int类型的模板特化类，因此编译器会自动选择
 93         //更为特化的模板类作为t2的目标类。
 94         CalcHashClass<int> t2(10);
 95         printf("The hashcode is %d.\n",t2.hashCode());
 96     
 97         //在上面的示例中，我们通过显示的给出类型信息以实例化不同的模板类，这是因为模板类
 98         //的类型信息是无法像模板函数那样可以通过函数参数进行推演的，为了弥补这一缺失，我们可以
 99         //通过一个额外的模板函数来帮助我们完成这一功能。事实上，这一技巧在Thinking in Java中
100         //也同样给出了。
101         printf("Ths hashcode is %d.\n",CalcHashCode(10));
102         printf("Ths hashcode is %d.\n",CalcHashCode("Hello"));
103         return 0;
104     }
105     //This is 'template <typename T> class CalcHashClass'.
106     //The hashcode is 10500.
107     //This is 'template <> class CalcHashClass<int>'.
108     //The hashcode is 1010.
109     //This is 'template <> class CalcHashClass<int>'.
110     //Ths hashcode is 1010.
111     //This is 'template <> class CalcHashClass<const char*>'.
112     //Ths hashcode is 500.

    通过上面的示例可以看出，模板特化是依赖于编译器在编译期动态决定该使用哪个特化类，或是标准模板类的。相比于多态的后期动态绑定，该方式的运行效率更高，同时灵活性也没有被更多的牺牲。
    下面将给出一个结合模板特化和多态的示例(请注意代码中的说明性注释)：

 1     #include <stdio.h>
 2     #include <string.h>
 3     
 4     //1. 定义一个接口
 5     class BaseInterface {
 6     public:
 7         virtual ~BaseInterface() {}
 8         virtual void doPrint() = 0;
 9     };
10     
11     //2. 标准模板类继承该接口，同时给出自己的doPrint()实现。
12     template<typename T>
13     class DeriveClass : public BaseInterface {
14     public:    
15         void doPrint() {
16             printf("This is 'template<typename T> class DeriveClass'.\n");
17         }
18     };
19     
20     //3. 基于int类型特化后的DeriveClass模板类，同样继承了该接口，也给出了自己的DoPrint()实现。
21     template<>
22     class DeriveClass<int> : public BaseInterface {
23     public:    
24         void doPrint() {
25             printf("This is 'template<> class DeriveClass<int>'.\n");
26         }
27     };
28     
29     //4. 对象创建辅助函数，该函数可以通过参数类型的不同，实例化不同的接口子类。
30     template<typename T>
31     inline BaseInterface* DoTest(T t) {
32         return new DeriveClass<T>;
33     }
34     
35     int main() {
36         BaseInterface* b1 = DoTest(4.5f);
37         b1->doPrint();
38         BaseInterface* b2 = DoTest(5);
39         b2->doPrint();
40         delete b1;
41         delete b2;
42         return 0;
43     }
44     //This is 'template<typename T> class DeriveClass'.
45     //This is 'template<> class DeriveClass<int>'.

   
二、模板部分特化：

    有的书中将其翻译成模板偏特化，或者是模板的局部特化，但含义都是相同的。为了便于理解，我们可以将上面的模板特化称为模板全部特化，即模板类的类型参数全部被特化了。顾名思义，模板部分特化只是将其中一部分类型参数进行了特化声明，因此也可以将模板特化视为模板部分特化的一种特殊形式。由于应用场景基本相同，因此下面的代码将仅仅给出最基本的示例和注释说明，以帮助大家熟悉他的语法即可：

 1     //1. 标准模板类。
 2     template<typename T1, typename T2>
 3     class MyClass {
 4         ... ...
 5     };
 6     //2. 两个模板参数具有相同类型的部分特化类。
 7     template<typename T>
 8     class MyClass<T,T> {
 9         ... ...
10     }
11     //3. 第二个类型参数是int
12     template<typename T>
13     class MyClass<T,int> {
14         ... ...
15     }
16     //4. 两个模板参数都是指针。
17     template<typename T1,typename T2>
18     class MyClass<T1*,T2*> {
19         ... ...
20     }
21     //5. 两个模板参数都是相同类型的指针。
22     template<typename T>
23     class MyClass<T*,T*> {
24         ... ...
25     }
26     //6. 调用示例代码。
27     int main() {
28         MyClass<int,float> c1;         //调用MyClass<T1,T2>
29         MyClass<float,float> c2;    //调用MyClass<T,T>
30         MyClass<float,int> c3;      //调用MyClass<T,int>
31         MyClass<int*,float*> c4;    //调用MyClass<T1*,T2*> 
32         MyClass<int*,int*> c5;      //调用MyClass<T*,T*>
33         return 0;
34     }

   
三、缺省模板实参：

    和函数的缺省参数一样，C++的模板也同样支持缺省类型参数。

 1     //1. 第二个类型参数的缺省值是vector<T>
 2     template<typename T, typename T2 = std::vector<T> >
 3     class MyClass {
 4         ... ... 
 5     }
 6     int main() {
 7         MyClass<int> c1;            //第二个类型参数是vector<int> 
 8         MyClass<int,list<int> > c2; //第二个类型参数是list<int> 
 9         return 0;
10     }

    这种使用缺省模板参数的代码，在STL中比比皆是。
    
四、非类型模板参数：

    模板的类型参数不仅仅可以是类型，也可以是常量，但是常量本身的类型是有限制的，不是所有类型的常量都可以，目前只是整型常量和外部链接对象的指针可以，而浮点型等其他原始类型，或自定义类型均不可。

 1     template<typename T, int MAXSIZE>
 2     class MyContainer {
 3     public:
 4         int capacity() const { return MAXSIZE; }
 5         ... ...
 6     private:
 7         T elements[MAXSIZE];
 8     };
 9      
10     int main() {
11         MyContainer<int,50> c1;
12         return 0;
13     }
14     和普通类型模板一样，非类型模板参数也可以有缺省值，如：
15     template<typename T, int MAXSIZE = 10>
16     class MyContainer {
17     public:
18         int capacity() const { return MAXSIZE; }
19         ... ...
20     private:
21         T elements[MAXSIZE];
22     };

   
    最后需要说明的是，不管是普通模板类还是非类型模板类，只要其类型不同，或是常量值不同，就不能将其视为相同类型的对象，这一点同样适用于模板函数。

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