C++模板基础知识

news/2024/4/24 13:56:23/文章来源:https://blog.csdn.net/mo4776/article/details/136577555

文章目录

    • 模板
      • 模板的声明与定义
      • 函数模板
      • 非类型模板参数
      • 类模板
        • 类的成员函数定义
        • 构造函数的定义
        • 类的静态成员的定义
        • 类模板的实例化
        • 使用模板类型中的类型成员
      • 默认模板参数
      • 指定显示模板实参(函数模板显示实参)
      • 引用折叠和右值引用参数
      • 可变参数模板
        • 对参数包的扩展
        • 对参数包的转发
        • 可变参数模板的示例
        • 模板参数传入可调用对象

虽然用了多年的C++,但是C++泛型编程在开发工作中接触的很少,就连需要使用模板的场景都很少。因为用的少,模板相关的知识就是看了忘,忘了看。

但是在阅读一些开源的C++项目,模板还是经常遇到的,为了理解代码,模板的基础知识还是得了然于心。这篇文章是记录了C++模板基础知识 ,内容来自 C++ Primer,做了归纳方便以后查看。

模板

模板是泛型编程的基础。分别有模板函数和模板类,声明一个模板函数或模板类与定义一个普通函数和类一样,只是并不指定明确的类型了。

模板包含了模板实例的步骤,对不同类型相同模板的函数或类,编译器在编译阶段生成对应的代码。不同类型的模板实例化是不同的类型。

模板的声明与定义

为了生成一个实例化版本,编译器需要掌握函数模板或类模板成员函数的定义。因此,与非模板代码不同,模板的头文件通常即包括声明也包括定义。

函数模板和类模板成员函数的定义通常放在头文件中。像常规的头文件和源文件分离编译的情况,在模板情况下行不通。

如下模板类Blob ,在blob_test.h文件中

#include <string>
template <typename T,typename U> 
class Blob {
public:Blob(T a,U b);
public:T getA();U getB();
private:T _a;U _b;
};

如果将Blob类中的构造函数及getA()getB()函数,定义在文件blob_test.cpp中,如下:

#include "blob_test.h"
template <typename T,typename U>
Blob<T,U>::Blob(T v,U v1):_a(v),_b(v1) {}template <typename T,typename U> 
T Blob<T,U>::getA() {return _a;
}template <typename T,typename U>
U Blob<T,U>::getB() {return _b;
}

那么在main.cpp文件中

#include "blob_test.h"
#include <iostream>
int main() {//Blob<int,std::string>是实例化的类型Blob<int,std::string> b(18,"123");std::cout<<"A:"<<b.getA()<<std::endl;std::cout<<"B:"<<b.getB()<<std::endl;
}

编译blob_test.h,blob_test.cpp,main.cpp将会报错,因为在main.cpp中只包含了blob_test.h只有声明,没有定义,编译器无法实例化该模板。

所以对模板,一般将声明与定义都写在头文件,即声明也包含定义。那么blob_test.h修改如下:

#include <string>
template <typename T,typename U> 
class Blob {
public:Blob(T a,U b);
public:T getA();U getB();
private:T _a;U _b;
};//Blob<T,U>就表示一个类
template <typename T,typename U> 
T Blob<T,U>::getA() {return _a;
}template <typename T,typename U>
U Blob<T,U>::getB() {return _b;
}template <typename T,typename U>
Blob<T,U>::Blob(T v,U v1):_a(v),_b(v1) {}

模板的设计者应该提供一个头文件,包含模板定义及在类模板或成员定义中用到的所有名字的声明。模板用户必须包含模板的头文件,以及用来实例化模板的任何类型的头问题。

模板的定义与声明,可以看看这篇文章。

函数模板

template <typename T>
int compare(const T& v1,const T& v2) {if (v1 < v2) return -1;if (v2 < v1) return 1;return 0;
}std::cout<<compare(1,0)<<std::endl;

模板定义以关键字template开始,后跟一个模板参数列表这是一个逗号分隔的一个或多个模板参数的列表

函数模板不必显示写出类型实参,编译器可以根据实参推导。比如compare(1,0)在编译期间就被编译器实例化为一个intcompare版本。

一般来说,我们可以将类型参数看作类型说明符,就像内置类型或类型说明符一样使用。

特别是,类型参数可以用来指定返回类型或参数的参数类型,以及在函数体内用于变量声明或类型转换。

template <typename T>
T foo(T *p) {//tmp的类型将是指针p指向的类型T tmp = *p;//...return tmp;
}

非类型模板参数

template<unsigned N,unsigned M>
int compare(const char(&p1)[N],const char(&p2)[M]);

类模板

如下是一个模板类Bolb的声明。

template <typename T> class Blob {
public:T& back();T& operator[](size_type i);
private:std::shared_ptr<std::vector<T>> _data;static size_t _v;
};

Blob<T>就当一个正常的类使用**,template <typename T> Blob<T> 就是它的完整形式。

类的成员函数定义

当我们定义一个成员函数时,应如下定义:

template <typename T>
ret-type Blob<T>::member-name(parm-list)

Blob成员函数定义如下:

template <typename T>
void Blob<T>::check(size_t i,const std::string& msg) const {....;
}
template <typename T>
T& Blob<T>::back() {....
}
构造函数的定义
template <typename T>
Blob<T>::Blob():data(...) {...
}
类的静态成员的定义
template <typename T>
size_t Foo<T>::_v = 0;
类模板的实例化

与函数模板不同之处是,编译器不能为类模板推断模板参数类型,实例化时必须指定类型,如Blob<int>Blob<std::string>

使用模板类型中的类型成员

当编译器遇到这样的语句 T::size_type *p; 时,它需要指定我们是正在定义一个名为p的变量,还是将一个名为size_typestatic数据成员与名为p的变量相乘。默认情况下,C++语言假定通过作用域运算符访问的名字不是类型。

因此,如果我们希望使用一个模板类型参数的类型成员,就必须显示告诉编译器该名字是一个类型。我们通过使用关键字typename来实现这一点:

template <typename T>
typename T::value_type top(const T& c) {if (!c.empty()) {return c.back();} else {return typename T::value_type();}}

默认模板参数

template <typename T, typename F = less<T>> 
int compare(const T& v1,const T& v2, F f= F()) {...
}
template <class T = int> 
class Numbers {....
};

指定显示模板实参(函数模板显示实参)

我们可以定义表示返回类型的第三个模板参数,从而允许用户控制返回类型:

template <typename T1,typename T2,typename T3>
T1 sum(T2,T3);

T1指定返回值的类型。

实例化时,返回值的类型被显示指定

// T1是显示指定,T2和T3是从函数实参类型推断而来
auto val3 = sum<long long>(i,lng);

引用折叠和右值引用参数

如下一个模板函数f(T&&),注意参数类型的推导。

template <typename T> void f(T &&);
f3(42);//42是一个右值,那么模板参数T被推导为int
int i = 118;
f3(i);//i是个左值,那么模板参数T被推导为int&

如下例子,函数f将改变量i的值,因为类型被推导为int&

#include <iostream>
template <typename T> void f(T&& v) {v = 18;
}int main() {int i = 0;f(i);std::cout<<"i:"<<i<<std::endl;
}

当我们将一个左值传递给函数的右值引用参数,且此右值引用指向模板类型参数(如T&&)时,编译器推断模板类型参数为实参的左值引用类型。

因此,当我们调用f3(i)时,编译器推断T的类型为int&,而非int

那么对f3(i),编译器实际推导为:

void f3<int&>(int& &&);

T的类型为int&,触发了C++中的引用折叠。
引用折叠的规则如下:

  • X& &X& &&X&& &都折叠成类型X&
  • 类型X&& &&折叠成X&&

那么void f3<T>(T &&)的模板参数可以称为万能引用,因为实参既可以传入左值,也可以传入右值:
f(i);
f(18);

可变参数模板

可以传入多个实参,像printf一样。

template <typename T,typename ...Args>
void foo(const T &t,const Args& ...rest);
对参数包的扩展
template <typename... Args>
ostream &errorMsg(ostream &os,const Args&... rest) {return print(os,debug_rep(rest)...);
}

对参数包rest进行了扩展,将对每个参数都调用debug_rep

对参数包的转发
//...Args表示模板参数的类型
//Args&&... 表示以Args声明了形参args
template<typename ...Args>
void fun(Args&&... args) {work(std::forward<Args>(args)...);
}
可变参数模板的示例
#include <iostream>
void work(int a,int b) {std::cout<<"===> enter work(int a,int b)"<<std::endl;std::cout<<"a:"<<a<<",b:"<<b<<std::endl;std::cout<<"===> exit work(int a,int b)"<<std::endl;
}void work(int& a,int& b) {std::cout<<"===> enter work(int& a,int& b)"<<std::endl;a = 1;b = 2;std::cout<<"===> exit work(int& a,int& b)"<<std::endl;
}void work(const int&a,const int& b) {std::cout<<"===> enter work(const int&a,const int& b)"<<std::endl;std::cout<<"===> exit work(const int&a,const int& b)"<<std::endl;
}template <typename ...Args>
void foo(Args&& ...v) {work(std::forward<Args>(v)...);
}int main() {//模板参数的实参类型//类型被推断为int//此时会报错,因为选择const int&和int,int&都可以foo(18,118);int a=16,b=116;/*模板参数会被推断为int&,此时会有引用折叠,但是通过forward*将类型保留转发到了work。*此时 int&,const int&都适合,但是int&更加合适,会选择int&。*/foo(a,b);std::cout<<"a:"<<a<<",b:"<<b<<std::endl;
}
模板参数传入可调用对象
#include <iostream>template<typename Fun,typename ...Args>
void Test(Fun _fun,Args&&... args) {_fun(std::forward<Args>(args)...);
}//函数对象
struct SWork {void operator()(int a,int b) {std::cout<<"SWork,a:"<<a<<",b:"<<b<<std::endl;}
};//函数
void work(int a,int b) {std::cout<<"work,a:"<<a<<",b:"<<b<<std::endl;
}int main() {Test(work,18,18);Test(SWork(),19,19);
}

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