C++提高编程-泛型编程

一、模板：

1.1.模板的概念:

1.模板就是建立通用的模具，大大提高复用性
2.例如生活中的模板:
- 一寸照片模板：
- PPT模板：
模板的特点：
- 模板不可以直接使用，它只是一个框架
- 模板的通用并不是万能的

二、泛型编程:

C++另一种编程思想称为泛型编程，主要利用的技术就是模板
C++提供两种模板机制:函数模板和类模板

三、函数模板

3.1.作用：

建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

3.2.应用：

a.语法

template<typename T>
函数声明或定义

解释：

template — 声明创建模板
typename — 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T — 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

b.案例：

//交换整型函数
void swapInt(int &a, int &b) {
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//交换浮点型函数
void swapDouble(double &a, double &b) {
	double temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}


//利用模板提供通用的交换函数
template<typename T>
void mySwap(T &a, T &b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	
	//swapInt(a, b);

	//利用模板实现交换
	//1、自动类型推导
	mySwap(a, b);

	//2、显示指定类型
	mySwap<int>(a, b);

	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;

}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

3.4.总结：

函数模板利用关键字 template
使用函数模板有两种方式：自动类型推导、显示指定类型
模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化

3.5.说明：

a.注意:

1.自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
2.模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
3.在函数模板中template<typename T>的代码可以替换成template<class T>

b.示例:

//利用模板提供通用的交换函数
template<class T>
void mySwap(T &a, T &b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}


// 1、自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T,才可以使用
void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';

	mySwap(a, b); // 正确，可以推导出一致的T
	//mySwap(a, c); // 错误，推导不出一致的T类型
}


// 2、模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用
template<class T>
void func()
{
	cout << "func 调用" << endl;
}

void test02()
{
	//func(); //错误，模板不能独立使用，必须确定出T的类型
	func<int>(); //利用显示指定类型的方式，给T一个类型，才可以使用该模板
}

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

总结： 使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型

3.6.案例

a.需求：

1.利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序
2.排序规则从大到小，排序算法为选择排序
3.分别利用char数组和int数组进行测试

b.示例：

//交换的函数模板
template<typename T>
void mySwap(T &a, T&b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}


template<class T> // 也可以替换成typename
//利用选择排序，进行对数组从大到小的排序
void mySort(T arr[], int len){
	for (int i = 0; i < len; i++){
		int max = i; //最大数的下标
		for (int j = i + 1; j < len; j++){
			if (arr[max] < arr[j]){
				max = j;//更新最大值下标
			}
		}
		
		if (max != i){ //如果最大数的下标不是i，交换两者
			mySwap(arr[max], arr[i]);
		}
	}
}


template<typename T>
void printArray(T arr[], int len) {

	for (int i = 0; i < len; i++) {
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}



void test01()
{
	//测试char数组
	char charArr[] = "bdcfeagh";
	int num = sizeof(charArr) / sizeof(char); //计算的是数组长度
	mySort(charArr, num);
	printArray(charArr, num);
}

void test02()
{
	//测试int数组
	int intArr[] = { 7, 5, 8, 1, 3, 9, 2, 4, 6 };
	int num = sizeof(intArr) / sizeof(int); //计算的是数组长度
	mySort(intArr, num);
	printArray(intArr, num);
}

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

总结：模板可以提高代码复用，需要熟练掌握

3.6.普通函数与函数模板对比：

a.区别

1.普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
2.函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
3.在函数模板中，如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换

b.示例：

//普通函数
int myAdd01(int a, int b)
{
	return a + b;
}

//函数模板
template<class T>
T myAdd02(T a, T b)  
{
	return a + b;
}

//使用函数模板时，如果用自动类型推导，不会发生自动类型转换,即隐式类型转换
void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';
	
	cout << myAdd01(a, c) << endl; //正确，将char类型的'c'隐式转换为int类型  'c' 对应 ASCII码 99

	//myAdd02(a, c); // 报错，使用自动类型推导时，不会发生隐式类型转换

	myAdd02<int>(a, c); //正确，如果用显示指定类型，可以发生隐式类型转换
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

总结：建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T

3.7.普通函数与函数模板的调用规则:

a.调用规则：

1.如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
2.可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
3.函数模板也可以发生重载
4.如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板

b.示例：

//普通函数与函数模板调用规则
void myPrint(int a, int b)
{
	cout << "调用的普通函数" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b) 
{ 
	cout << "调用的模板" << endl;
}

template<typename T>
void myPrint(T a, T b, T c) 
{ 
	cout << "调用重载的模板" << endl; 
}

void test01()
{
	//1、如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数
	// 注意 如果告诉编译器  普通函数是有的，但只是声明没有实现，或者不在当前文件内实现，就会报错找不到
	int a = 10;
	int b = 20;
	myPrint(a, b); //调用普通函数

	//2、可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
	myPrint<>(a, b); //调用函数模板

	//3、函数模板也可以发生重载
	int c = 30;
	myPrint(a, b, c); //调用重载的函数模板

	//4、 如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板
	char c1 = 'a';
	char c2 = 'b';
	myPrint(c1, c2); //调用函数模板
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

总结：既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性

3.8.模板的局限性

a.局限性：

1.模板的通用性并不是万能的,如下两个局限：

	template<class T>
	void f(T a, T b)
	{ 
    	a = b;
    }

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了

	template<class T>
	void f(T a, T b)
	{ 
    	if(a > b) { ... }
    }

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行

因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

b.示例：

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

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





//普通函数模板
template<class T>
bool myCompare(T &a, T &b){
	if (a == b){
		return true;
	}else{
		return false;
	}
}


//具体化，显示具体化的原型和定意思以template<>开头，并通过名称来指出类型
//具体化优先于常规模板
template<> bool myCompare(Person &p1, Person &p2){
	if ( p1.m_Name  == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age){
		return true;
	}else{
		return false;
	}
}

void test01(){
	int a = 10;
	int b = 20;
	//内置数据类型可以直接使用通用的函数模板
	bool ret = myCompare(a, b);
	if (ret){
		cout << "a == b " << endl;
	}else{
		cout << "a != b " << endl;
	}
}

void test02(){
	Person p1("Tom", 10);
	Person p2("Tom", 10);
	
	//自定义数据类型，不会调用普通的函数模板
	//可以创建具体化的Person数据类型的模板，用于特殊处理这个类型
	bool ret = myCompare(p1, p2);
	if (ret){
		cout << "p1 == p2 " << endl;
	}else{
		cout << "p1 != p2 " << endl;
	}
}

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

总结：

利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
学习模板并不是为了写模板，而是在STL能够运用系统提供的模板

四、类模板

4.1.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。

4.2.语法

a.语法：

template<typename T>
类

解释：**

template — 声明创建模板
typename — 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T — 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

b.示例:

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType> 
class Person{
	public:
		Person(NameType name, AgeType age){
			this->mName = name;
			this->mAge = age;
		}
		
		void showPerson(){
			cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
		}
	
	public:
		NameType mName;
		AgeType mAge;
};

void test01(){
	// 指定NameType 为string类型，AgeType 为 int类型
	Person<string, int>P1("孙悟空", 999);
	P1.showPerson();
}

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

总结：类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板

4.3.类模板与函数模板区别

a.区别：

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

b.示例：

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType> 
class PersonA{
	public:
		Person(NameType name, AgeType age){
			this->mName = name;
			this->mAge = age;
		}
		void showPerson(){
			cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
		}
		
	public:
		NameType mName;
		AgeType mAge;
};


//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class PersonB{
	public:
		Person(NameType name, AgeType age){
			this->mName = name;
			this->mAge = age;
		}
		void showPerson(){
			cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
		}
		
	public:
		NameType mName;
		AgeType mAge;
};

//1、类模板没有自动类型推导的使用方式
void test01(){
	// Person p("孙悟空", 1000); // 错误 类模板使用时候，不可以用自动类型推导
	PersonA <string ,int>p("孙悟空", 1000); //必须使用显示指定类型的方式，使用类模板
	p.showPerson();
}

//2、类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02(){
	PersonB <string> p("猪八戒", 999); //类模板中的模板参数列表 可以指定默认参数
	p.showPerson();
}

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

4.4.类模板中成员函数创建时机

a.创建时机区别：

1.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

b.示例：

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，并不是一开始就创建的，而是在模板调用时再生成
		void fun1() { obj.showPerson1(); }
		void fun2() { obj.showPerson2(); }
};

void test01(){
	MyClass<Person1> m;
	m.fun1();
	//m.fun2();//编译会出错，说明函数调用才会去创建成员函数
}

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

总结：类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建

4.5.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

a.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

b.示例：

#include <string>
//类模板
template<class NameType, class AgeType = int> 
class Person{
	public:
		Person(NameType name, AgeType age){
			this->mName = name;
			this->mAge = age;
		}
		void showPerson(){
			cout << "name: " << this->mName << " age: " << this->mAge << endl;
		}
		
	public:
		NameType mName;
		AgeType mAge;
	};



//方式1、指定传入的类型
void printPerson1(Person<string, int> &p) {
	p.showPerson();
}
void test01(){
	Person <string, int >p("孙悟空", 100);
	printPerson1(p);
}




//方式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);
}




//方式3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T &p){
	cout << "T的类型为： " << typeid(T).name() << endl;
	p.showPerson();

}
void test03()
{
	Person <string, int >p("唐僧", 30);
	printPerson3(p);
}

int main() {

	test01();
	test02();
	test03();

	system("pause");

	return 0;
}

总结：

通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
使用比较广泛是第一种：指定传入的类型

4.6.类模板与继承：

a.注意点：

1.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
2.如果不指定，编译器无法给子类分配内存
3.如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板

b.示例：

template<class T>
class Base{
	T m;
};

//class Son:public Base  //错误，c++编译需要给子类分配内存，必须知道父类中T的类型才可以向下继承

//必须指定一个类型
class Son :public Base<int>{ 

};

void test01(){
	Son c;
}


//类模板继承类模板 ,可以用T2指定父类中的T类型
template<class T1, class T2>
class Son2 :public Base<T2>{
	public:
		Son2(){
			cout << typeid(T1).name() << endl;
			cout << typeid(T2).name() << endl;
		}
};



void test02()
{
	Son2<int, char> child1;
}



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

总结：如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型

4.8.类模板成员函数类外实现

学习目标：能够掌握类模板中的成员函数类外实现

a.示例：

#include <string>

//类模板中成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person {
	public:
		//成员函数类内声明
		Person(T1 name, T2 age);
		void showPerson();
	
	public:
		T1 m_Name;
		T2 m_Age;
};

//构造函数 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 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", 20);
	p.showPerson();
}

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

总结：类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表

4.9. 类模板分文件编写

学习目标：掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式

a.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

b.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

c.示例：

person.hpp中代码：

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

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

//构造函数 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 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.类模板分文件编写.cpp中代码

#include<iostream>
using namespace std;

//#include "person.h"
#include "person.cpp" //解决方式1，包含cpp源文件

//解决方式2，将声明和实现写到一起，文件后缀名改为.hpp
#include "person.hpp"
void test01()
{
	Person<string, int> p("Tom", 10);
	p.showPerson();
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

总结：主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp

4.10.类模板与友元

学习目标：

掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现
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

a.示例：

#include <string>

//2、全局函数配合友元  类外实现 - 先做函数模板声明，下方在做函数模板定义，在做友元
template<class T1, class T2> class Person;

//如果声明了函数模板，可以将实现写到后面，否则需要将实现体写到类的前面让编译器提前看到
//template<class T1, class T2> void printPerson2(Person<T1, T2> & p); 



template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> & p)
{
	cout << "类外实现 ---- 姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
}



template<class T1, class T2>
class Person
{
	//1、全局函数配合友元   类内实现
	friend void printPerson(Person<T1, T2> & p)
	{
		cout << "姓名： " << p.m_Name << " 年龄：" << p.m_Age << endl;
	}


	//全局函数配合友元  类外实现
	friend void printPerson2<>(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;

};

//1、全局函数在类内实现
void test01()
{
	Person <string, int >p("Tom", 20);
	printPerson(p);
}


//2、全局函数在类外实现
void test02()
{
	Person <string, int >p("Jerry", 30);
	printPerson2(p);
}

int main() {

	//test01();

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

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

4.11.类模板案例

a.案例描述:

1.实现一个通用的数组类，要求如下：
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

b.示例：

myArray.hpp中代码

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

template<class T>
class MyArray
{
public:
    
	//构造函数
	MyArray(int capacity)
	{
		this->m_Capacity = capacity;
		this->m_Size = 0;
		pAddress = new T[this->m_Capacity];
	}

	//拷贝构造
	MyArray(const MyArray & arr)
	{
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;
		this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
		{
			//如果T为对象，而且还包含指针，必须需要重载 = 操作符，因为这个等号不是 构造 而是赋值，
			// 普通类型可以直接= 但是指针类型需要深拷贝
			this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
		}
	}

	//重载= 操作符  防止浅拷贝问题
	MyArray& operator=(const MyArray& myarray) {

		if (this->pAddress != NULL) {
			delete[] this->pAddress;
			this->m_Capacity = 0;
			this->m_Size = 0;
		}

		this->m_Capacity = myarray.m_Capacity;
		this->m_Size = myarray.m_Size;
		this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++) {
			this->pAddress[i] = myarray[i];
		}
		return *this;
	}

	//重载[] 操作符  arr[0]
	T& operator [](int index)
	{
		return this->pAddress[index]; //不考虑越界，用户自己去处理
	}

	//尾插法
	void Push_back(const T & val)
	{
		if (this->m_Capacity == this->m_Size)
		{
			return;
		}
		this->pAddress[this->m_Size] = val;
		this->m_Size++;
	}

	//尾删法
	void Pop_back()
	{
		if (this->m_Size == 0)
		{
			return;
		}
		this->m_Size--;
	}

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

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


	//析构
	~MyArray()
	{
		if (this->pAddress != NULL)
		{
			delete[] this->pAddress;
			this->pAddress = NULL;
			this->m_Capacity = 0;
			this->m_Size = 0;
		}
	}

private:
	T * pAddress;  //指向一个堆空间，这个空间存储真正的数据
	int m_Capacity; //容量
	int m_Size;   // 大小
};

2.类模板案例—数组类封装.cpp中

#include "myArray.hpp"
#include <string>

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

//测试内置数据类型
void test01()
{
	MyArray<int> array1(10);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		array1.Push_back(i);
	}
	cout << "array1打印输出：" << endl;
	printIntArray(array1);
	cout << "array1的大小：" << array1.getSize() << endl;
	cout << "array1的容量：" << array1.getCapacity() << endl;

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

	MyArray<int> array2(array1);
	array2.Pop_back();
	cout << "array2打印输出：" << endl;
	printIntArray(array2);
	cout << "array2的大小：" << array2.getSize() << endl;
	cout << "array2的容量：" << array2.getCapacity() << endl;
}

//测试自定义数据类型
class Person {
public:
	Person() {} 
		Person(string name, int age) {
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
public:
	string m_Name;
	int m_Age;
};

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

}

void test02()
{
	//创建数组
	MyArray<Person> pArray(10);
	Person p1("孙悟空", 30);
	Person p2("韩信", 20);
	Person p3("妲己", 18);
	Person p4("王昭君", 15);
	Person p5("赵云", 24);

	//插入数据
	pArray.Push_back(p1);
	pArray.Push_back(p2);
	pArray.Push_back(p3);
	pArray.Push_back(p4);
	pArray.Push_back(p5);

	printPersonArray(pArray);

	cout << "pArray的大小：" << pArray.getSize() << endl;
	cout << "pArray的容量：" << pArray.getCapacity() << endl;

}

int main() {

	//test01();

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}