C++模板的实现（模板函数和模板类，附带模板实现顺序表和链表代码）
程序员文章站
2024-02-21 12:12:16
...
模板
当我们实现一个交换函数时，我们可以写成如下。
void Swap(int& x, int& y)
{
int tmp = x;
x = y;
y = tmp;
} 这里只能交换两个整数，当我们一会需要实现两个字符交换时，我们有需要重新写个函数，然而两份代码有很多相同的部分，这样是不是很麻烦。假如我们只需要写一份代码便可以实现不同类型的交换，是不是很棒。是的，这个编译器已经帮我们设计好了，这就是所谓的泛型编程。
模板是泛型编程的基础，所谓泛型编程就是编写与类型无关的逻辑代码，是一种复用的方式。模板分为模板函数和模板类。
一、模板函数
模板函数的格式：
template< class 形参名1, class 形参名2, class 形参名n>
返回类型 函数名(参数列表)
{…}
模板形参的定义既可以使用class，也可以使用typename，含义是相同的。
刚刚的Swap函数就可以用模板函数搞定了。
模板参数隐式实例化
template<class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}看看是不是可以进行多种类型交换，测试结果：
这就是模板函数的实现，当然我们很好奇为什么一个函数就可以搞定。其实在底层实现了函数重载，我们转到汇编代码便可得知。
int main()
{
00394D30 push ebp
00394D31 mov ebp,esp
00394D33 sub esp,114h
00394D39 push ebx
00394D3A push esi
00394D3B push edi
00394D3C lea edi,[ebp-114h]
00394D42 mov ecx,45h
00394D47 mov eax,0CCCCCCCCh
00394D4C rep stos dword ptr es:[edi]
00394D4E mov eax,dword ptr [__security_cookie (039A000h)]
00394D53 xor eax,ebp
00394D55 mov dword ptr [ebp-4],eax
int a1 = 1, a2 = 2;
00394D58 mov dword ptr [a1],1
00394D5F mov dword ptr [a2],2
Swap(a1, a2);
00394D66 lea eax,[a2]
00394D69 push eax
00394D6A lea ecx,[a1]
00394D6D push ecx
00394D6E call Swap<int> (039137Ah)
00394D73 add esp,8
char c1 = 5, c2 = 6;
00394D76 mov byte ptr [c1],5
00394D7A mov byte ptr [c2],6
Swap(c1, c2);
00394D7E lea eax,[c2]
00394D81 push eax
00394D82 lea ecx,[c1]
00394D85 push ecx
00394D86 call Swap<char> (0391375h)
00394D8B add esp,8
double d1 = 1.222, d2 = 2.011111111111;
00394D8E movsd xmm0,mmword ptr [__real@3ff38d4fdf3b645a (0397BD0h)]
00394D96 movsd mmword ptr [d1],xmm0
00394D9B movsd xmm0,mmword ptr [__real@400016c16c16c072 (0397BD8h)]
00394DA3 movsd mmword ptr [d2],xmm0
Swap(d1, d2);
00394DA8 lea eax,[d2]
00394DAB push eax
00394DAC lea ecx,[d1]
00394DAF push ecx
00394DB0 call Swap<double> (039137Fh)
00394DB5 add esp,8
return 0;
00394DB8 xor eax,eax
} 可以看到在底层，每一次调用Swap函数都会建立一个栈帧，而每次栈帧建立，形参的类型是不同的，建立栈帧也是不同的。当我们使用模板时编译器会进行一个推演的过程，这个过程在编译之前进行。推演时，编译器会根据传递参数的类型实例化（编译器隐式实例化）
出相应的函数，在进行编译。例如：
但是当我们遇到这样Swap(1,1.2302102);,此时编译器如何判断到底实例化成那种类型？
其实我们如果把模板声明为这样既可以解决了。模板函数重载（与上面的函数构成重载）
template<typename T1 ,class T2> //使用class 和 typename一样的效果
void Swap(T1& x,T2& y)
{
T1 tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}有时候我们可能会要到这样的奇葩问题。
template< class T>
const T Add(T& x,T& y)
{
return x+y;
}当我们这样调用时Add(1,5.222222);,编译器又该如何实例化呢？
模板参数显示实例化
这就涉及必须显示指定实例化类型 模板参数显示实例化
Add<double> (1.5.2222222); 这样就可以搞定刚刚的问题。
二、模板类
模板类的格式
template<class 形参名1, class 形参名2, ...class 形参名n>
class 类名
{ ... };当我们刚开始用c++写顺序表和链表之前，我们是这样的。
typedef int Datatype;
typedef struct SeqList
{
struct SeqList* _data;
size_t _size;
}SeqList;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* _prev;
struct ListNode* _next;
Datatype _data;
}ListNode;我们这样定义顺序表和链表的，但是会存在很大一个问题，如下。
当我们在一个程序中要使用两个不同数据类型顺序表和链表，这样是无法完成的，除非我们每种类型定义一个类型
```
typedef int Datatype; //存int类型
typedef struct SeqList
{
struct SeqList* _data;
size_t _size;
}SeqList;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* _prev;
struct ListNode* _next;
Datatype _data;
}ListNode;```
typedef char Datatype; //存char类型
typedef struct SeqList
{
struct SeqList* _data;
size_t _size;
}SeqList;
typedef struct ListNode
{
struct ListNode* _prev;
struct ListNode* _next;
Datatype _data;
}ListNode;这样就会很麻烦，在我们学了模板之后，我们可以这样。
模板类示例
模板实现顺序表
template<class T>
class Vector
{
public:
Vector():_first(NULL),_finish(NULL),_endofstorge(NULL)//构造函数
{}
~Vector()//析构函数
{
delete[]_first;
_first = _finish = _endofstorge = NULL;
}
Vector(const Vector<T>& v)//拷贝构造
:_first(NULL)
,_finish(NULL)
,_endofstorge(NULL)
{
int len = v._finish - v._first;
_first = _finish = new T[len];
T* start = v._first;
while(start != v._finish)
{
*(_finish) = *start;
++_finish;
++start;
}
_endofstorge = _first+len;
}
Vector<T>& operator=(Vector<T>& v) //赋值运算符重载
{
delete[]_first;
Vector<T> v1(v);
swap(_first ,v1._first);
swap(_finish , v1._finish);
swap(_endofstorge , v1._endofstorge);
return *this;
}
void PushBack(const T& x) //尾插
{
if(_finish == _endofstorge)
Expand(Capacity()*2+1);
_first[Size()] = x;
++_finish;
}
void PopBack()//尾删
{
Erase(Size()-1);
}
void Expand(size_t n) //扩容
{
int size = Size();
if(n>Capacity())
{
T* tmp = new T[n];
for (int i = 0;i<size;i++)
{
*(tmp+i) = *(_first+i);
}
delete[]_first;
_first = tmp;
_finish = _first + size;
_endofstorge = _first + n;
}
}
void Insert(size_t pos,const T& x)//随机插入
{
assert(_first+pos <= _finish);
if(_finish == _endofstorge)
Expand(2*Capacity());
T* end = _finish;
while(end != _first + pos)
{
*(end) = *(end-1);
--end;
}
_first[pos] = x;
++_finish;
}
void Erase(size_t pos)//删除任意位置的数据
{
assert(_first+pos < _finish);
int size = Size();
T* start = _first + pos + 1;
while(start != _finish)
{
*(start - 1) = *(start);
++start;
}
--_finish;
}
size_t Find(const T& x)//查找
{
int size = Size();
for(int i = 0;i<size;i++)
{
if (_first[i] == x)
return i;
}
return -1;
}
T& operator[](size_t pos)//获取任意位置的数据
{
assert(pos<Size());
return _first[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const
{
assert(_first+pos < _finish);
return _first[pos];
}
size_t Size() //求取顺序表的有效容量
{
return _finish - _first;
}
size_t Capacity()//求取顺序表的容量
{
return _endofstorge - _first;
}
bool Empty() //判断是否为空顺序表
{
return Size()==0;
}
protected:
T* _first;
T* _finish;
T* _endofstorge;
};测试代码及结果：
void VectorTest()
{
Vector<int> v;
v.PushBack(1);
v.PushBack(2);
v.PushBack(3);
v.PushBack(4);
v.PushBack(5);
v.PushBack(6);
v.PushBack(7);
PrintVocter(v);
Vector<string> v1;
v1.PushBack("hello");
v1.PushBack("world !");
v1.PushBack("i");
v1.PushBack("love");
v1.PushBack("you");
PrintVocter(v1);
}
模板实现双链表
#ifndef __LIST_H__
#define __LIST_H__
#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;
template <class T>
struct ListNode
{
struct ListNode* _prev;
struct ListNode* _next;
T _data;
};
template <class T>
class List
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
List()//构造函数
{
_head = new Node;
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
List(const List<T>& h) //拷贝构造
{
Node* head = h._head;
Node* tmp = head->_next;
_head = new Node;
_head->_next = _head->_prev = _head;
while (tmp != head)
{
PushBack(tmp->_data);
tmp = tmp->_next;
}
}
~List() //析构函数
{
Clear();
delete _head;
_head = NULL;
}
void PushBack(const T& x) //尾插
{
Node *tmp = new Node;
tmp->_data = x;
Node* tail = _head->_prev;
tail->_next = tmp;
tmp->_prev = tail;
_head->_prev = tmp;
tmp->_next = _head;
}
void PushFront(const T& x) //头插
{
Node *tmp = new Node;
tmp->_data = x;
Node* cur = _head->_next;
tmp->_prev = _head;
_head->_next = tmp;
tmp->_next = cur;
cur->_prev = tmp;
}
void PopBack() //尾删
{
Node* cur = _head->_prev;
_head->_prev = cur->_prev;
cur->_prev->_next = _head;
delete[]cur;
cur->_next = cur->_prev = NULL;
}
void PopFront() //头删
{
Node* cur = _head->_next;
_head->_next = cur->_next;
cur->_next->_prev = _head;
}
void Insert(Node* pos,const T& x) //随机插入
{
Node* cur = new Node;
cur->_data = x;
cur->_prev = pos->_prev;
pos->_prev->_next = cur;
pos->_prev = cur;
cur->_next = pos;
}
void Erase(Node* pos) //删除随机位置
{
Node* cur = pos->_next;
pos->_prev->_next = cur->_next;
cur->_next->_prev = pos->_prev;
}
void Clear() //清除链表数据
{
Node* cur = _head->_next;
while(cur != _head)
{
Node* tmp = cur;
cur = cur->_next;
delete tmp;
}
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
Node* Find(const T& x) //查找
{
Node* cur = _head->_next;
while (cur != _head)
{
if(cur->_data==x)
return cur;
cur = cur->_next;
}
return NULL;
}
size_t Size() //求取链表长度
{
size_t count = 0;
Node* cur = _head->_next;
while (cur != _head)
{
count++;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool Empty()
{
if (_head->_next = _head->_prev)
return 1;
return 0;
}
void PrintList() //打印链表
{
Node* tmp = _head->_next;
while (tmp != _head)
{
std::cout<<tmp->_data<<" ";
tmp = tmp->_next;
}
std::cout<<std::endl;
}
protected:
Node* _head;
};
#endif//__LIST_H__
这样我们的顺序表和链表就可以实现任意类型的程序了。