C++ 中的类模板

原文连接：http://see.xidian.edu.cn/cpp/biancheng/view/213.html

有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同，如下面语句声明了一个类：
class Compare_int
{
   public :
   Compare(int a,int b)
   {
      x=a;
      y=b;
   }
   int max( )
   {
      return (x>y)?x:y;
}
int min( )
{
   return (x<y)?x:y;}
   private :
   int x,y;
};
其作用是对两个整数作比较，可以通过调用成员函数max和min得到两个整数中的大者和小者。

如果想对两个浮点数(float型)作比较，需要另外声明一个类：
class Compare_float
{
   public :
   Compare(float a,float b)
   {x=a;y=b;}
   float max( )
   {return (x>y)?x:y;}
   float min( )
   {return (x<y)?x:y;}
   private :
   float x,y;
}
显然这基本上是重复性的工作，应该有办法减少重复的工作。

C++在发展的后期增加了模板(template )的功能，提供了解决这类问题的途径。可以声明一个通用的类模板，它可以有一个或多个虚拟的类型参数，如对以上两个类可以综合写出以下的类模板：
template <class numtype> //声明一个模板，虚拟类型名为numtype
class Compare //类模板名为Compare
{
   public :
   Compare(numtype a,numtype b)
   {x=a;y=b;}
   numtype max( )
   {return (x>y)?x:y;}
   numtype min( )
   {return (x<y)?x:y;}
   private :
   numtype x,y;
};

请将此类模板和前面第一个Compare_int类作一比较，可以看到有两处不同：

1. 声明类模板时要增加一行
      template <class 类型参数名>
2. 原有的类型名int换成虚拟类型参数名numtype。
   在建立类对象时，如果将实际类型指定为int型，编译系统就会用int取代所有的numtype，如果指定为float型，就用float取代所有的numtype。这样就能实现“一类多用”。

由于类模板包含类型参数，因此又称为参数化的类。如果说类是对象的抽象，对象是类的实例，则类模板是类的抽象，类是类模板的实例。

利用类模板可以建立含各种数据类型的类。在声明了一个类模板后，怎样使用它？怎样使它变成一个实际的类？
先回顾一下用类来定义对象的方法：
   Compare_int cmp1(4,7); // Compare_int是已声明的类
用类模板定义对象的方法与此相似，但是不能直接写成
   Compare cmp(4,7); // Compare是类模板名
   Compare是类模板名，而不是一个具体的类，类模板体中的类型numtype并不是一个实际的类型，只是一个虚拟的类型，无法用它去定义对象。
必须用实际类型名去取代虚拟的类型，具体的做法是：
   Compare <int> cmp(4,7);
即在类模板名之后在尖括号内指定实际的类型名，在进行编译时，编译系统就用int取代类模板中的类型参数numtype，这样就把类模板具体化了，或者说实例化了。这时Compare<int>就相当于前面介绍的Compare_int类。

例9.14是一个完整的例子。
例9.14 声明一个类模板，利用它分别实现两个整数、浮点数和字符的比较，求出大数和小数。
#include <iostream>
using namespace std;
template <class numtype>
//定义类模板
class Compare
{
   public :
   Compare(numtype a,numtype b)
   {x=a;y=b;}
   numtype max( )
   {return (x>y)?x:y;}
   numtype min( )
   {return (x<y)?x:y;}
   private :
   numtype x,y;
};
int main( )
{
   Compare<int > cmp1(3,7);//定义对象cmp1，用于两个整数的比较
   cout<<cmp1.max( )<<″ is the Maximum of two integer numbers.″<<endl;
   cout<<cmp1.min( )<<″ is the Minimum of two integer numbers.″<<endl<<endl;
   Compare<float > cmp2(45.78,93.6); //定义对象cmp2，用于两个浮点数的比较
   cout<<cmp2.max( )<<″ is the Maximum of two float numbers.″<<endl;
   cout<<cmp2.min( )<<″ is the Minimum of two float numbers.″<<endl<<endl;
   Compare<char> cmp3(′a′,′A′); //定义对象cmp3，用于两个字符的比较
   cout<<cmp3.max( )<<″ is the Maximum of two characters.″<<endl;
   cout<<cmp3.min( )<<″ is the Minimum of two characters.″<<endl;
   return 0;
}
运行结果如下：
7 is the Maximum of two integers.
3 is the Minimum of two integers.
93.6 is the Maximum of two float numbers.
45.78 is the Minimum of two float numbers.
a is the Maximum of two characters.
A is the Minimum of two characters.

还有一个问题要说明： 上面列出的类模板中的成员函数是在类模板内定义的。如果改为在类模板外定义，不能用一般定义类成员函数的形式：
   numtype Compare::max( ) {…} //不能这样定义类模板中的成员函数
而应当写成类模板的形式：
   template <class numtype>
   numtype Compare<numtype>::max( )
   {{return (x>y)?x:y;}

归纳以上的介绍，可以这样声明和使用类模板：

1. 先写出一个实际的类。由于其语义明确，含义清楚，一般不会出错。
2. 将此类中准备改变的类型名(如int要改变为float或char)改用一个自己指定的虚拟类型名(如上例中的numtype)。
3. 在类声明前面加入一行，格式为
   template <class 虚拟类型参数>，如
   template <class numtype> //注意本行末尾无分号
   class Compare
   {…}; //类体
4. 用类模板定义对象时用以下形式：
      类模板名<实际类型名> 对象名;
      类模板名<实际类型名> 对象名(实参表列);
   如
      Compare<int> cmp;
      Compare<int> cmp(3,7);
5. 如果在类模板外定义成员函数，应写成类模板形式：
      template <class 虚拟类型参数>
      函数类型 类模板名<虚拟类型参数>::成员函数名(函数形参表列) {…}

关于类模板的几点说明：

1. 1. 类模板的类型参数可以有一个或多个，每个类型前面都必须加class，如
      template <class T1,class T2>
      class someclass
      {…};
      在定义对象时分别代入实际的类型名，如
         someclass<int,double> obj;
   2. 和使用类一样，使用类模板时要注意其作用域，只能在其有效作用域内用它定义对象。
   3. 模板可以有层次，一个类模板可以作为基类，派生出派生模板类。