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C++ 模板参数

介绍

C++模板是C++编程语言中的一个强大特性,它允许程序员编写通用的代码,这些代码可以处理不同类型的数据。模板的核心是模板参数,它们允许我们为模板指定不同的类型或值,从而使模板能够适应各种情况。

在本文中,我们将探讨C++模板参数的基础知识、类型以及它们的应用方式,帮助你全面理解这一重要概念。

模板参数的基本概念

模板参数是在模板定义中声明的占位符,它们可以在使用模板时被实际的类型或值替换。C++支持两种主要类型的模板参数:

  1. 类型参数(Type Parameters):用于表示任意数据类型
  2. 非类型参数(Non-type Parameters):用于表示具体的值,如整数、指针等
  3. 模板模板参数(Template Template Parameters):接受模板作为参数的模板参数

接下来,我们将详细讨论这些不同类型的模板参数。

类型参数

类型参数是最常见的模板参数形式,它允许模板接受任意数据类型。

语法

cpp
template <typename T>  // 或者使用 template <class T>
class MyContainer {
private:
T element;
public:
void setElement(T value) {
element = value;
}

T getElement() const {
return element;
}
};

在这个例子中,T 是一个类型参数,它可以被任何有效的C++类型所替代。

备注

typenameclass 关键字在模板声明中的作用是完全相同的,选择哪一个纯粹是风格问题。

使用类型参数

cpp
#include <iostream>

template <typename T>
T add(T a, T b) {
return a + b;
}

int main() {
// 整数类型
int sum1 = add<int>(5, 3);
std::cout << "5 + 3 = " << sum1 << std::endl;

// 浮点类型
double sum2 = add<double>(3.5, 2.7);
std::cout << "3.5 + 2.7 = " << sum2 << std::endl;

// 字符串类型
std::string str1 = "Hello, ";
std::string str2 = "World!";
std::string sum3 = add<std::string>(str1, str2);
std::cout << str1 << str2 << " = " << sum3 << std::endl;

return 0;
}

输出:

5 + 3 = 8
3.5 + 2.7 = 6.2
Hello, World! = Hello, World!

在这个例子中,我们定义了一个模板函数 add,它可以接受任何支持加法运算的类型。当使用不同类型调用此函数时,编译器会为每种类型生成相应的函数代码。

多个类型参数

模板可以有多个类型参数:

cpp
#include <iostream>

template <typename T, typename U>
auto multiply(T a, U b) -> decltype(a * b) {
return a * b;
}

int main() {
auto result = multiply(5, 3.5);
std::cout << "5 * 3.5 = " << result << std::endl;

return 0;
}

输出:

5 * 3.5 = 17.5

这个例子中,我们有两个不同的类型参数 TU,使得函数可以接受两个不同类型的参数。这里使用了 C++11 的 autodecltype 来推导返回类型。

非类型参数

非类型参数是有具体值的参数,例如整数、枚举、指针或引用。这些参数的值必须在编译时确定。

语法

cpp
template <typename T, int Size>
class Array {
private:
T elements[Size];
public:
T& operator[](int index) {
return elements[index];
}

int getSize() const {
return Size;
}
};

在这个例子中,Size 是一个非类型参数,它必须是一个整数常量。

使用非类型参数

cpp
#include <iostream>

template <typename T, int Size>
class Array {
private:
T elements[Size];
public:
T& operator[](int index) {
return elements[index];
}

int getSize() const {
return Size;
}
};

int main() {
Array<int, 5> intArray;
for (int i = 0; i < intArray.getSize(); ++i) {
intArray[i] = i * 10;
}

for (int i = 0; i < intArray.getSize(); ++i) {
std::cout << "intArray[" << i << "] = " << intArray[i] << std::endl;
}

return 0;
}

输出:

intArray[0] = 0
intArray[1] = 10
intArray[2] = 20
intArray[3] = 30
intArray[4] = 40

在这个例子中,我们创建了一个含有5个整型元素的数组。数组的大小由非类型参数 Size 指定,这个值在编译时就已经确定了。

警告

非类型参数有一些限制。例如,不能使用浮点数、class类型对象或字符串字面量作为非类型参数。C++20放宽了一些限制,允许使用特定条件下的class类型作为非类型参数。

模板模板参数

模板模板参数是一种接受模板作为参数的模板参数。这是一个高级特性,通常在创建复杂的泛型库时使用。

语法

cpp
template <template <typename> class Container>
class MyClass {
// ...
};

在这个例子中,Container 是一个模板模板参数,它必须是一个接受一个类型参数的模板。

使用模板模板参数

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>

template <template <typename, typename> class Container, typename T>
class DataStorage {
private:
Container<T, std::allocator<T>> data;
public:
void addItem(const T& item) {
data.push_back(item);
}

void printItems() {
for (const auto& item : data) {
std::cout << item << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
};

int main() {
// 使用vector作为容器
DataStorage<std::vector, int> vecStorage;
vecStorage.addItem(1);
vecStorage.addItem(2);
vecStorage.addItem(3);
std::cout << "Vector storage: ";
vecStorage.printItems();

// 使用list作为容器
DataStorage<std::list, double> listStorage;
listStorage.addItem(1.1);
listStorage.addItem(2.2);
listStorage.addItem(3.3);
std::cout << "List storage: ";
listStorage.printItems();

return 0;
}

输出:

Vector storage: 1 2 3 
List storage: 1.1 2.2 3.3

在这个例子中,Container 是一个模板模板参数,它可以接受 std::vectorstd::list 等标准容器。注意,由于标准容器通常有多个模板参数(类型和分配器),我们需要在模板模板参数中指定正确的参数个数和类型。

默认模板参数

从C++11开始,C++支持为模板参数提供默认值,这与函数参数的默认值类似。

语法

cpp
template <typename T = int, int Size = 10>
class DefaultArray {
// ...
};

在这个例子中,如果不指定 T,它默认为 int,如果不指定 Size,它默认为 10

使用默认模板参数

cpp
#include <iostream>

template <typename T = int, int Size = 5>
class DefaultArray {
private:
T elements[Size];
public:
DefaultArray() {
for (int i = 0; i < Size; ++i) {
elements[i] = T();
}
}

void setElement(int index, T value) {
if (index >= 0 && index < Size) {
elements[index] = value;
}
}

void printElements() {
for (int i = 0; i < Size; ++i) {
std::cout << elements[i] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
};

int main() {
// 使用默认参数
DefaultArray<> array1;
array1.setElement(0, 10);
array1.setElement(1, 20);
std::cout << "array1: ";
array1.printElements();

// 指定类型,使用默认大小
DefaultArray<double> array2;
array2.setElement(0, 1.1);
array2.setElement(1, 2.2);
std::cout << "array2: ";
array2.printElements();

// 同时指定类型和大小
DefaultArray<char, 3> array3;
array3.setElement(0, 'A');
array3.setElement(1, 'B');
array3.setElement(2, 'C');
std::cout << "array3: ";
array3.printElements();

return 0;
}

输出:

array1: 10 20 0 0 0 
array2: 1.1 2.2 0 0 0
array3: A B C

在这个例子中,我们定义了一个带有默认模板参数的类 DefaultArray。默认的类型是 int,默认的大小是 5。通过不同的方式实例化,我们可以使用默认参数或提供自己的参数。

模板参数的实际应用场景

模板参数在实际编程中有广泛的应用,下面是几个常见的使用场景:

1. 容器类

标准模板库(STL)的容器大量使用了模板参数:

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>

int main() {
// vector使用类型参数
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

// map使用两个类型参数
std::map<std::string, int> nameAge;
nameAge["Alice"] = 30;
nameAge["Bob"] = 25;

for (const auto& pair : nameAge) {
std::cout << pair.first << " is " << pair.second << " years old." << std::endl;
}

return 0;
}

2. 智能指针

智能指针使用模板参数来指定它们管理的对象类型:

cpp
#include <iostream>
#include <memory>

class Person {
public:
Person(const std::string& n) : name(n) {
std::cout << "Person " << name << " created." << std::endl;
}

~Person() {
std::cout << "Person " << name << " destroyed." << std::endl;
}

void greet() {
std::cout << "Hello, my name is " << name << "." << std::endl;
}

private:
std::string name;
};

int main() {
std::unique_ptr<Person> person1 = std::make_unique<Person>("Alice");
person1->greet();

std::shared_ptr<Person> person2 = std::make_shared<Person>("Bob");
person2->greet();

std::shared_ptr<Person> person3 = person2; // 共享所有权
std::cout << "person2 use count: " << person2.use_count() << std::endl;

return 0;
}

3. 特定大小的数组

使用非类型参数创建编译时固定大小的数组:

cpp
#include <iostream>
#include <array>

template <typename T, size_t N>
void printArray(const std::array<T, N>& arr) {
for (const auto& item : arr) {
std::cout << item << " ";
}
std::cout << std::endl;
}

int main() {
std::array<int, 5> intArray = {1, 2, 3, 4, 5};
std::cout << "Integer array: ";
printArray(intArray);

std::array<double, 3> doubleArray = {1.1, 2.2, 3.3};
std::cout << "Double array: ";
printArray(doubleArray);

return 0;
}

4. 数值计算

使用模板创建通用的数学函数:

cpp
#include <iostream>
#include <cmath>

template <typename T>
T square(T value) {
return value * value;
}

template <typename T>
T power(T base, int exponent) {
if (exponent == 0) return 1;

T result = 1;
for (int i = 0; i < exponent; ++i) {
result *= base;
}
return result;
}

int main() {
std::cout << "Square of 5: " << square(5) << std::endl;
std::cout << "Square of 3.7: " << square(3.7) << std::endl;

std::cout << "2^5: " << power(2, 5) << std::endl;
std::cout << "1.5^3: " << power(1.5, 3) << std::endl;

return 0;
}

模板参数的最佳实践

在使用模板参数时,有一些最佳实践可以帮助你编写更清晰、更易维护的代码:

  1. 使用有意义的名称:与变量命名一样,为模板参数选择描述性名称可以提高代码可读性。

    cpp
    // 好的命名
    template <typename ElementType, int ArraySize>
    class Array { /* ... */ };

    // 不太好的命名
    template <typename T, int N>
    class Array { /* ... */ };
  2. 提供有用的默认参数:如果某个参数通常使用同一个值,考虑提供默认值。

    cpp
    template <typename T = int, int Size = 10>
    class Buffer { /* ... */ };
  3. 约束模板参数:在C++20中,可以使用概念(concepts)来约束模板参数的类型。

    cpp
    template <typename T>
    requires std::is_arithmetic_v<T>
    T add(T a, T b) {
    return a + b;
    }
  4. 避免过度模板化:只有在真正需要泛型代码时才使用模板。过度使用模板会使代码难以理解和维护。

总结

模板参数是C++模板编程的核心概念,它们使C++能够支持真正的泛型编程。通过本文,我们了解了:

  1. 类型参数:用于表示任意数据类型
  2. 非类型参数:用于表示编译时已知的常量值
  3. 模板模板参数:允许模板作为参数传递给其他模板
  4. 默认模板参数:为模板参数提供默认值

掌握模板参数可以帮助你编写更灵活、更可重用的代码,是迈向C++高级编程的重要一步。

练习题

为了巩固所学知识,尝试完成以下练习:

  1. 创建一个通用的 Max 函数模板,可以返回任意类型的两个值中的较大值。

  2. 实现一个 CircularBuffer 类模板,它有两个模板参数:元素类型和缓冲区大小。

  3. 创建一个 Pair 类模板,可以存储两个不同类型的值。

  4. 设计一个 Matrix 类模板,使用非类型参数指定行和列的数量。

  5. 实现一个接受容器类型作为模板模板参数的 SortedContainer 类模板。

附加资源

如果你想进一步学习C++模板编程,可以参考以下资源:

祝你在C++模板编程的道路上取得成功!