《C++面向对象程序设计》第9章 模板

《C++面向对象程序设计》教学内容

第1章C++概述

第2章类和对象

第3章面向对象程序设计概述

第4章进一步学习类和对象

第5章堆与复制构造函数

第6章继承性：派生类

第7章运算符重载

第8章虚函数和多态性

第9章模板

第10章类库和C++的标准模板库STL

第11章输入输出流

第12章异常处理

第9章模板

9.1模板的概念

9.2函数模板

9.3重载模板函数

9.4类模板的定义

9.5使用类模板

9.6应用举例

问题的引入

•很多算法本身的描述其实与其所涉及数据的类型

是无关的。

•但是，高级语言大多数都是基于类型系统的语言,

当用高级语言表达算法的实现时，就必须明确指

出其具体的数据类型，

•这样以来就必然导致同一个算法有多个不同的实

现（针对不同的数据类型）。

•从而使工作量加大，使用麻烦，维护困难。

例：将两个数进行交换（请同学们想一想共

有几种方案？）

解决方案一:宏定义

•在C语言中，宏定义是解决类型无关算

法的首选解决方案。例：

#definemax(x,y)((x)>(y)?(x):(y));

•宏定义有如下的缺点：

重复计算

只能处理简单的情况

例如：这里的Swap(x,y)使用宏定义就不好处理。

解决方案二:用C语言的函数

voidSwapl(int*x,int*y)

inttemp;

temp=*x;

*x=*y;

*y=temp;

}

voidSwapF(float*x,float*y)从上面的实现可以看

(出，这种方案不仅实

floattemp;现上浪费很大，而且

temp=*x;使用起来非常的不方

*x=*y;便(不同的函数名)。

*y=temp;

解决方案三：C++函数名重载

voidSwap(int&x,int&y)

(

inttemp;

temp=x;

x=y;

y=temp;

}

voidSwap(float&x,float&y)与C语言相比，C++

{的函数名重载让使用者

floattemp;

temp=x;大大地得到了解放，但

x=y;实现者还是需进行大量

y=temp;

的重复性劳动。

解决方案四：模板

template<classT>

voidswap(T&x5T&y)

{Tt；xy-所--谓---模--板--是---一--种---是--将--类----、

t=X；|型参数化来产生一系列

Y函数或类的机制。

y=t；

9.1模板的概念

•模板的英文为template,又可译作样板。

•C++中的模板可以用来设计与数据类型无

关的通用算法。

■这样的通用算法能够适用不同场合下不

同的数据类型。

•通过针对不同的数据类型实例化这些模

板，可以实现代码重用，从而达到提高

软件生产率的目的。

模板的作用

•通过模板可以产生类或函数的集合，使

它们操作不同的数据类型，

•从而避免需要为每一种数据类型都编写

一个单独的类或函数。

什么是模板template?

9.2函数模板

template<classtype>ret_type

func_name(parameterlist)

{//bodyoffunction}

•type是函数模板所使用的数据类型的占

位符名称，又称为模板参数。

•将type实例化的类型称为模板实参，用

模板实参实例化函数模板得到的函数称

为模板函数。

函数模板的两种实例化方式

〃显式实例化

〃隐式实例化

#include<iostream>

usingnamespacestd;

template<classT>Tmin(Ta,Tb)

return(a<b)?a:b;

函数模板的两种实例化方式（续）

intmain()

使用整型类型int

显式实例化。

doubledobjl=l.l,dobj2=2.2;j

charcobjl-c\cobj2='W；

inti=12,j=68;

使用double隐式

cout«min<int>(i,cobj1)«endl;实例化

cout«min(dobj1,dobj2)«endl;

cout«min<char>(cobj2,j)«endl;

return0;

使用字符类型,

char显式实例化

实例：求绝对值的函数模板

#include<iostream>

usingnamespacestd;

template<classX>Xmyabs(Xval)

{

returnval<0?-val:val;

)

intmain()

{

cout«myabs(-lO)«'\n';//integerabs

cout«myabs(-lO.O)<<'\n';//doubleabs

cout«myabs(-lOL)«'\n';//longabs

cout«myabs(-lO.OF)«'\n';//floatabs

return0;

函数模板与函数重载

•在每个重载函数的函数体中，可以执行不同的

行为。

•但是，函数模板的所有实例都必须执行同样的

行为——只有数据类型可以不同。

voidoutdata(inti)

{］这些函数不能.

cout«i；用函数模板来

}实现

voidoutdata(doubled)

cout«d*3.1416;

定义多个重载函数使代码显得冗长

//对于整数类型

intmax(inta,intb){return(a>b)?a,b;}

//对于长整数类型

longmax(longa,longb){return(a>b)?a,b;}

//对于单精度浮点数

floatmax(floata,floatb){return(a>b)?a,b;}

//对于双精度浮点数

doublemax(doublea,doubleb)

{return(a>b)?a,b;}

模板函数的代码更加简洁

•如果使用函数模板就可以减少这些不必要的

重复。例如：

template<classtype>typemax(typea,typeb)

{return(a>b)?a,b;}

•可见，模板可以大大提高程序代码的灵活

性，减少源代码长度。从而减轻程序员的负

相。

注意

函数模板实例化时不支持数据类型的自动转换

当用隐式方式时，下面的方式将是一种错误：

swap(i,c)；

因为i和cl的类型不一致，无法实例化函数模

板swap(T&x,T&y)o

但是，当用显式方式将其声明为：

voidswap(int&,int&)后，则可以合法去调用

了。

函数模板小结

•无论操作的是什么类型的数据，许多

算法在逻辑上是相同的。

•通过建立函数模板，可以不依赖于任

何数据类型来描述算法。

・函数模板定义了一套适用于各种数据

类型数据的一般操作。

•函数模板是描述通用算法的强有力的

手段。

9.3重载函数模板

//max.h

template<classTYPE>

TYPEmax(TYPEa,TYPEb)

(

return(a>b?a:b);

)

template<classTYPE>

TYPEmax(TYPEa,TYPEb,TYPEc)

(

TYPEt;

t=(a>b)?a:b;

return(t>c)?t:c;

}

注:这种重载是指参数个数不同，而不是类型不同。

实例化函数模板时自动匹配

#include“iostream.h"

#include"max.h"

intmain()

{char*maxi;

intx=10,y=20,max2;

doublea=10.3,b=21.7,c=14.5,max3;

max2=max(x,y);

max3=max(a,b,c);

maxl=max(nX¥Zn,nABCn);

cout«nThemaximumofn«x

«nandn«y«nis:n«max2«endl;

cout«nThemaximumofn«a«M,M

«b«nandn«c«nis:n«max3«endl;

cout«nThemaximumof\nXYZ\nand\nABC\nis:n«maxl«endl;

return0;

输出结果分析

•其结果是：

Themaximumof10and20is:20

Themaximumof10.3,21.7and14.5is:21.7

ThemaximumofnXYZnand“ABCnis:ABC

为什么会出错？如

何改正这个错误？

出错的原因

•当用char*实例化函数模板max时，得到

的模板函数如下：

char*max(char*a,char*b)

(

return(a>b)?a:b;

)

它所比较的是两个字符串存储单元地址的大小,

而不是两个字符串的内容。

改正错误的方法

•只要用一个普通的函数进行重载就可以

了,比如：

char*max(char*a5char*b)

return(strcmp(a5b)>0?a:b);

一般的函数重载函数模板

•即用一个非函数模板重载一个同名的函

数模板。

•目的是用一般函数来完善或者弥补模板

函数所描述的问题的漏洞。

•例：用char*实例化上例就会出现问题。

下面两个声明将指同一个函数模板

Template<classTl>

T1max(Tla,Tlb)

{

return(a>b)?a:b;

Template<classT2>

T2max(T2a,T2b)

return(a>b)?a:b;

二义性错误

因为T1和T并不指某个具体的类型，当用:

intmax(int,int);

时，编译器将不知道用那一个模板将其实例

化，从而产生二义性错误。

重载函数的调用次序

•寻找一个参数完全匹配的函数，若找到就

调用之。

•否则，寻找一个函数模板，将其实例化产

生一个匹配的函数，若有则调用之。

•否则，在重载函数中找有无通过类型转换

可产生参数匹配的函数，若有则调用之。

•若通过以上三步均没找到，则出现无匹配

函数的错误。若在某一步上同时有多于一

个的选择，则为二义性错误。

9.4类模板的定义

问题引入：

与函数模板相似，我们在设计类时也往

往会遇到由于数据类型的不同而不得不

重复地进行类的设计，而这些类的形式

是十分相象的，基于象引入函数模板同

样的原因，C++引入了类模板机制。

例：栈类模板

通用栈解决方案一：继承

整数栈浮点数栈用户定义类型的栈

通用栈解决方案二：模板

constintSIZE=10;

template<classT>classstack{

Tstck[SIZE];//使用数组实现堆栈

inttos;//top-of-stack堆栈顶部位置

public:

stack();//constructor

voidpush(Tch);〃将数据压入堆栈

Tpop();〃从堆栈弹出数据

)；

类模板定义的一般形式

template<class模板形参表〉

class类模板名

〃类体

）；

成员函数在类模板的体外实现

如果成员函数在类模板的体外实现，则每

个成员函数前都必须用与声明该类模板

一样的方法声明：

template<class模板形参表,

使这样的成员函数成为一个函数模板。

成员函数在类模板的体外实现实例

template<classT>voidstack::push(Td)

(

if(tos=SIZE){

cout«nStackisfull\nn;

return;

}

stck[tos]=d;

tos++;

)

template<classT>Tstack::pop()

(

if(tos==0){

cout«HStackisempty\nn;

return0;//returnnullonemptystack

}

tos—;

returnstckftos];

9.5使用类模板

•类模板必须显式实例化为模板类后才能使用,

如：

stack<int>

就产生一个整形的模板类。

­类模板必须显式实例化后，才能生成对象：

模板名V类型实参表,对象名（值实参表）；

stack<int>int_stack;

安全数组模板类实例

constintSIZE=10;

template<classAType>classatype{

ATypea[SIZE];

public:

atype(){

registerinti;

for(i=0;i<SIZE;i++)a[i]=i;

)

ATyp