第5 章 模板 (WHUT版).ppt

1、第五章,模 板,主要內(nèi)容,模板的概念 函數(shù)模板和模板函數(shù) 類模板和模板類,5.1 模板的概念,引例： int max( int x, int y) return (xy) ? x: y; double max( double x, double y) return (xy) ? x: y; char max( char x, char y) return (xy) ? x: y; ,可以看出，這些函數(shù)版本的功能都是相同的，只是參數(shù)類型和函數(shù)返回類型不同。 那么能否為這些函數(shù)只寫出一套代碼呢？,C+解決這個問題的一個方法就是使用模板。,利用模板機制可以顯著減少冗余信息，能大幅度地節(jié)約程序代碼，進

2、一步提高面向對象程序的可重用性和可維護性 模板概念是對類屬概念的繼承與發(fā)展。,類屬,類屬是 一種參數(shù)多態(tài)的機制。 ALGOL68語言最先引入類屬(genericity)的概念，最主要的類屬形式是類型參數(shù)化，即用一個或多個類型去參數(shù)化一個軟件元素。 基本思想： 在實際工作中人們經(jīng)常用到剛才那樣一些程序模塊，從它們的邏輯功能(或實現(xiàn)算法)看，彼此是相同的，所不同的主要是處理對象(數(shù)據(jù))的類型。 如果提供具有相同邏輯功能的程序正文(保存共性)，然后把數(shù)據(jù)類型作為參數(shù)傳遞(指出不同特性)，則可節(jié)約大量程序代碼，這就是類屬機制的思想，又稱為參數(shù)化模板。,類屬又可分為無約束類屬機制和約束類屬機制 無約束類

3、屬機制是指對作為類屬參數(shù)的數(shù)據(jù)類型沒有任何特殊要求 約束類屬機制則意味著對類屬參數(shù)有明確要求，只有在類屬實參滿足一定條件時才有意義。 1. 無約束類屬的例子 void swap(T ,2. 約束類屬的例子 T minimum(T x，T y) if(x=y) return x; else return y; 并不是任何數(shù)據(jù)類型都可以作為這個函數(shù)的類屬實參，只有滿足一定條件(即定義了“=”操作)的數(shù)據(jù)類型，才能作為這個函數(shù)的類屬實參。 /結構變量的比較運算與整型變量的比較運算就有很大差別 C+語言使用模板來實現(xiàn)類屬機制。,在C+中，模板是實現(xiàn)代碼重用機制的一種工具，它可以實現(xiàn)類型參數(shù)化，即把類型

4、定義為參數(shù)，從而實現(xiàn)代碼的可重用性。 C+程序由類和函數(shù)組成，C+中的模板也分為類模板和函數(shù)模板。 例： T max( T x, T y) return (xy) ? x : y; ,1. 模板的概念,這個以參數(shù)化表示的函數(shù)稱為函數(shù)模板。,所謂函數(shù)模板，實際上是建立一個通用函數(shù)，其函數(shù)類型和形參類型不具體指定，用一個虛擬的類型（如：T）來代替，這個通用函數(shù)就稱為函數(shù)模板。 3. 模板函數(shù) 在定義了一個函數(shù)模板后，當編譯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有一個對應的函數(shù)調用時，將根據(jù)實參中的類型來確認是否匹配函數(shù)模板中對應的形參，然后生成一個重載函數(shù)，該函數(shù)的定義與函數(shù)模板的函數(shù)定義體相同，稱之為模板函數(shù)。,2. 函數(shù)模

5、板,比較：函數(shù)模板和模板函數(shù)的區(qū)別,函數(shù)模板是模板的定義，定義中用到通用類型參數(shù)。 模板函數(shù)是實實在在的函數(shù)定義，它由編譯系統(tǒng)在遇到具體函數(shù)調用時所生成，具有程序代碼。,同樣，類模板是模板的定義，不是一個實實在在的類，其定義也用到通用類型參數(shù)。在定義了一個類模板后，可以創(chuàng)建類模板的實例，即生成模板類。,4. 模板、模板函數(shù)、模板類和對象之間的關系,說明：,由于模板的作用是使程序能夠對不同類型的數(shù)據(jù)進行相同方式的處理，因此，在進行相同方式的處理時，只有當參加運行的數(shù)據(jù)類型不同時，才可以定義模板。,5.2 函數(shù)模板和模板函數(shù),函數(shù)模板的定義和模板函數(shù)的生成 1) 定義函數(shù)模板的一般形式： temp

6、late 函數(shù)返回值類型 函數(shù)名(形參表) /函數(shù)體 ,例：將求最大值的函數(shù)max()定義成函數(shù)模板。,template /模板聲明 T max(T x, T y) /模板定義體 return (xy) ? x:y; 其中，T是模板形參，它既可以取系統(tǒng)預定義的數(shù)據(jù)類型，也可以取用戶自定義的類型。,2) 模板函數(shù)的生成：,定義了函數(shù)模板后，程序中并沒有得到真正的函數(shù)代碼。只有用一個具體的數(shù)據(jù)類型來代替上面的類型參數(shù)T以后，即將模板具體化后，系統(tǒng)才會生成特定于具體數(shù)據(jù)類型的程序代碼（模板函數(shù)）。,當程序中有如下語句時， int i; i=max(2, 30); 編譯系統(tǒng)就會自動生成具有整型參數(shù)和返

7、回值的函數(shù)代碼： int max( int x, int y) return (xy) ? x: y; 然后將它插入到程序中，這個生成的函數(shù)稱為模板函數(shù)。這樣，如果再有一句對整型參數(shù)的函數(shù)調用，系統(tǒng)就不會再次生成函數(shù)代碼，而是直接使用已經(jīng)生成的函數(shù)代碼了。,例：,同樣，如果程序中又有了這么一句函數(shù)調用： double x=max(12.3,48.5); 編譯系統(tǒng)會先看有沒有已經(jīng)從模板生成了函數(shù)代碼，如果沒有，就生成具有雙精度浮點型參數(shù)的函數(shù)代碼： double max(double x , double y) return (xy)?x:y; ,說明：,一般來說，當編譯程序看到對模板函數(shù)的調用

8、語句時，就會根據(jù)函數(shù)模板生成對應于該特定數(shù)據(jù)類型的具體函數(shù)代碼。 但是，也可以通過聲明函數(shù)原型來告訴編譯程序實例化函數(shù)模板。例如： float max(float,float); 當編譯器看到函數(shù)原型時，會先根據(jù)函數(shù)模板生成相應的函數(shù)代碼。,例：見下例exec11.1。,例exec11-1 不同數(shù)據(jù)類型數(shù)組中的元素求和,#include using namespace std; template T Sum(T *array,int size=0) T total=0; for (int i=0;isize;i+) total+=arrayi; return total; int main()

9、 int int_array=1,3,5,7,9,11,13,15,17,19; double double_array=1.1,2.2,3.3,4.4,5.5,6.6,5.7,8.8,9.9,10.01; coutThe summary of integer array are Sum(int_array,10)endl; coutThe summary of double array are Sum(double_array,10)endl; return 0; ,在程序中，生成了兩個模板函數(shù): Sum(int_array,10)用實參int_array將類型參數(shù)T進行了實例化，int_a

10、rray為一整型數(shù)組名，編譯程序生成一個形如int Sum(int *array,int size)的模板函數(shù)； Sum(double_array,10)用實參double_array將類型參數(shù)T進行了實例化，double_array為一雙精度型數(shù)組名，編譯程序生成一個形如double Sum(double *array,int size)的模板函數(shù)。,2. 函數(shù)模板的使用,雖然函數(shù)模板中的模板形參T可以實例化為各種類型，但實例化T時，虛實參之間必須保持完全一致的類型。模板類型并不具有隱式的類型轉換，例如在int與char之間、float與int之間、float與double之間等的隱式類型轉

11、換。 例： 見例exec11.2。,#include using namespace std; template T max(T a,T b) T c; if (ab) c=a; else c=b; return c; int main() int i1=50,i2=40; char c1=A,c2=B; double x1=45.6,x2=2.5e2; coutmax(i1,i2)endl; coutmax(c1,c2)endl; coutmax(x1,x2)endl; coutmax(i1,c1)endl; coutmax(i1,x1)endl; coutmax(c1,x1)endl; r

12、eturn 0; ,分析： 由于這3條語句的實參的類型與形參不一致，而max模板參數(shù)T的各實參之間必須保持一致的類型，因此出現(xiàn)編譯錯誤。 例如，max(i1,c1) 系統(tǒng)找不到與max(int, char)相匹配的函數(shù)定義。,解決方法：,采用強制類型轉換。 例：將調用語句max(i1, c1)改寫為 max(i1, int(c1) 顯式給出模板實參，強制生成對特定實例的調用。具體地說，就是在調用格式中要插入一個模板實參表。 例： cout(i1,x1)就是模板實參表，通過它通知編譯系統(tǒng)生成對形如int max(int a, int b)的函數(shù)實例的調用。這樣，在調用過程中，double型的參數(shù)

13、x1將被自動轉換成int型。,例：采用上面兩種方法對例exec11.2進行修改。, int main() int i1=50,i2=40; char c1=A,c2=B; double x1=45.6,x2=2.5e2; cout(i1,x1)(c1,x1)endl; /正確 return 0; ,問題： 比較兩個字符串哪個大，能不能用上面的函數(shù)模板直接比較兩個字符指針的大小?,分析： 比較兩個字符指針的大小不能使用上述的方法(因為：s1,s2是指針)，而需要用strcmp()函數(shù)來進行。因此，需要重新定義max()來比較兩個字符串。 那么怎樣利用函數(shù)模板來實現(xiàn)這一目的呢？,max(s1,s2

14、),解決方法： 允許函數(shù)模板參與重載，即允許用普通函數(shù)重載一個同名的函數(shù)模板。 有以下兩種重載方式： 與函數(shù)模板共享函數(shù)體； 重新定義函數(shù)體。,與函數(shù)模板共享函數(shù)體,通過借用函數(shù)模板的函數(shù)體來定義重載函數(shù)模板的非模板函數(shù)。 例： template T max(T a,T b) T c; if (ab) c=a; else c=b; return c; int max(int, int); /與函數(shù)模板共享函數(shù)體,void f(int i,char c) int x; x=max(i,i); x=max(c,c); x= max(i,c);/調用int max(int,int); x=max(c

15、,i); /調用int max(int,int); 因為普通函數(shù)具有隱式類型轉換能力，所以不出錯!,重新定義函數(shù)體,在定義重載函數(shù)模板的非模板函數(shù)時，給出這個重載的非模板函數(shù)的函數(shù)體。 例： 見例exec11.4。 說明： 編譯程序在處理這種情況時， 首先尋找參數(shù)完全匹配的普通函數(shù)； 然后再尋求參數(shù)完全匹配的函數(shù)模板； 最后尋求低一級的對函數(shù)的重載方法(類型轉換達到匹配)。,char * max(char *a,char *b) if (strcmp(a,b)0) return a; else return b; ,函數(shù)模板總結,函數(shù)模板是對一組函數(shù)的描述，它不是一個實實在在的函數(shù)，編譯系統(tǒng)并

16、不產(chǎn)生任何執(zhí)行代碼。 當編譯系統(tǒng)在程序中發(fā)現(xiàn)有與函數(shù)模板中相匹配的函數(shù)調用時，便生成一個重載函數(shù)，該重載函數(shù)的函數(shù)體與函數(shù)模板的函數(shù)體相同。這個根據(jù)函數(shù)模板生成的重載函數(shù)稱為模板函數(shù)。,函數(shù)模板與模板函數(shù)的區(qū)別如下： （1）函數(shù)模板不是一個函數(shù)，而是一組函數(shù)的模板，在定義中使用了參數(shù)類型。 （2）模板函數(shù)是一種實實在在的函數(shù)定義，它的函數(shù)體與某個函數(shù)模板的函數(shù)體相同。 編譯系統(tǒng)遇到模板函數(shù)調用時，將生成可執(zhí)行代碼。 函數(shù)模板是定義重載函數(shù)的一種工具。一個函數(shù)模板只為一種原型函數(shù)生成一個模板函數(shù)，不同原型的模板函數(shù)是重載的。這樣就使得一個函數(shù)只需編碼一次就能用于某個范圍的不同類型的對象上。 因此

17、，可以說函數(shù)模板是提供一組重載函數(shù)的樣板。,5.3 類模板和模板類,使用類模板(也稱為類屬類或類生成類)機制，用戶可以為類定義一種模式，使得類中的某些數(shù)據(jù)成員、某些成員函數(shù)的參數(shù)和某些成員函數(shù)的返回值，可以是任意類型的。 類模板不再代表一個具體的、實際的類，而是代表一類類。,1. 類模板的定義,定義類模板，包含兩方面內(nèi)容： 定義類； 在類定義體外定義成員函數(shù)。 1) 定義類的一般形式： template /模板聲明 class Name /類的定義 ;,例1：向量類模板定義。,template class Vector T *data; int size; public: Vector(int

18、 i) data=new Ti; Vector() delete data; T ,例2：一個單鏈表類模板的定義。,template class List/定義通用單鏈表類模板List，有一個模板參數(shù)T public: List(); /聲明構造函數(shù) void Add(T ,2) 在類定義體外定義成員函數(shù),如果在類定義體外定義成員函數(shù)時，如果該成員函數(shù)中有模板參數(shù)，則需先進行模板聲明，而且用類模板名，而不是用類名來限定函數(shù)名，即在函數(shù)名前的類名后綴上“”。其一般形式為： template 函數(shù)返回值類型 類名:成員函數(shù)名(形參表) /函數(shù)體 ,例：類模板List中成員函數(shù)Add()和Remov

19、e()在類體外定義。,template void List:Add(T / 將新結點的地址賦給頭指針 template void List:Remove(T,例：,List intList; 表示將類模板List的類型參數(shù)T全部替換成int 型，從而創(chuàng)建一個具體的整型鏈表類，并生成該具體類的一個對象intList。 List charList; 表示將類模板List的類型參數(shù)T全部替換成char 型，從而創(chuàng)建一個具體的字符鏈表類，并生成該具體類的一個對象charList。,比較：類模板與模板類的區(qū)別。,類模板是模板的定義，不是一個實實在在的類，定義中用到通用類型參數(shù)。 模板類是實實在在的類定義

20、，是類模板的實例化。類定義中參數(shù)被實際類型所代替。 例： 見例exec11.5。,3. 類模板的派生,既可以從類模板派生出類模板，也可以派生出普通類(非模板類)。主要有以下幾種形式： 從類模板派生出類模板； 從類模板派生出普通類； 從普通類派生出類模板。,1) 從類模板派生出類模板,從類模板派生出新的類模板的格式如下所示： template class Base ; template class Derived: public Base ; 與定義一般派生類的格式類似，只是在指出它的父類時要加上模板參數(shù)。如，Base 。,例：見例exec11.6。,2) 從類模板派生出普通類,從類模板派生出一

21、個普通類的格式如下所示： template class Base ; class Derived: public Base ; 首先，作為新派生出來的普通類的父類，必須是類模板實例化后生成的模板類。例如上面的Base； 其次，在派生類定義之前不需要模板聲明語句template 。,例：見例exec11.7。,3) 從普通類派生出類模板,在聲明一個類模板時，可以盡可能將類模板中與虛擬類型參數(shù)無關的成員剝離出來，構成一個普通類，作為類模板的基類。因此，從普通類派生出類模板的情況也是十分常見的。 例： class Base ; template class Derived:public Base T

22、 data; ,模板的派生甚至可以繼承一個未知的基類，也就是說，繼承哪個基類由模板參數(shù)決定。 例： 見例exec11.8。,template class Derived:public T public: Derived():T() cout x; Derived y; Derived z; return 0; ,小 結,模板的概念： 是實現(xiàn)代碼重用機制的一種工具，它可以實現(xiàn)類型參數(shù)化，即把類型定義為參數(shù)，從而實現(xiàn)代碼的可重用性。 模板的分類：函數(shù)模板和類模板 函數(shù)模板和模板函數(shù) 函數(shù)模板的定義和使用方法； 函數(shù)模板與模板函數(shù)的區(qū)別。 類模板和模板類 類模板的定義和使用方法； 類模板與模板類的區(qū)別； 類模板的派生（3種形式）。,思考題：,1已知 void Sort(int a,int size); void Sort(double a,int size); 是一個函數(shù)模板的兩個實例，其功能是將數(shù)組a中的前size個元素按從小到大順序排列。試設計這個函數(shù)模板。,#include using namespace std; template T Sum(T *ar