C++模板编程—学习C++类库的编程基础

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文章目录

  • 一、详解函数模板
  • 二、类模板
  • 三、类模板实践：实现向量容器vector
  • 四、理解容器空间配置器allocator的重要性

一、详解函数模板

模板的意义：对类型也可以进行参数化了

// 也可以用template<class T>，但class容易和类混淆，我们都用typename
template<typename T>	// 模板参数列表
bool compare(T a, T b)	// compare是一个函数模板
{cout << "template compare" << endl;return a > b;
}/*
调用点实例化出来的模板函数
bool compare<int>(int a, int b)
{return a > b;
}bool compare<double>(double a, double b)
{return a > b;
}
*/int main()
{// 函数的调用点compare<int>(10, 20);compare<double>(10.5, 20.5);// 函数模板实参推演compare(20, 20); 	 // 还是用的刚才实例化的compare<int>// compare(30, 40.5); // 错误，推演不出来是什么类型// 解决方法一：template<typename T, typename E>，a和b用两个类型，各推各的// 解决方法二：compare<int>(30, 40.5)，double强转成int
}

函数模板：不进行编译，因为类型还不知道

模板函数：在函数调用点，编译器用程序员指定的类型，从原模板实例化一份函数代码出来这就叫做模板函数，这是实例化出来真正需要进行编译的函数，因此站在编译器的角度来看，待编译的函数并没有减少，只是我们编写的代码量减少了。
同时，实例化出来的模板函数在.o文件符号表中产生相应的符号，每个函数名的符号只能出现一次

来看看字符串的情况 （模板的特例化）：

// 针对compare函数模板，提供const char*类型的特例化版本
template<>	// 要写上
bool compare(const char* a, const char* b)
{cout << "compare<const char*>" << endl;return strcmp(a, b) > 0;
}
// 模板特化不需要在函数名后面加上类型参数
// 即别写成compare<const char*>int main()
{// 推演T为const char*，字符串 > 代表的是比较两个常量的地址，要用strcmp才能比较字符串的字典顺序// 对于某些类型来说，依赖编译器默认实例化的模板代码，代码处理逻辑是错误的// 这时候，就需要我们进行模板的特例化了，这不是编译器提供的，而是程序员提供的compare("aaa", "bbb");compare<const char*>("aaa", "bbb");// 这两种写法都是对的
}

当然，非模板函数（普通函数）优先被调用

//非模板函数 - 普通函数
bool compare(const char* a, const char* b)
{cout << "normal compare" << endl;return strcmp(a, b) > 0;
}int main()
{// 这时候就调用普通函数了，不调用模板函数了compare("aaa", "bbb");// 调用模板函数compare<const char*>("aaa", "bbb");
}

编译器优先把compare处理成函数名字，没有的话，才去找compare模板特例化，如果没有特例化，才进行模板的实例化

分文件编写：

模板代码是不能在一个文件中定义，在另一个文件中使用的，否则链接的时候会出现错误

比如在test.cpp中存放模板代码，在main.cpp中声明，这是不可以的，因为声明产生的符号是*UND*，而在test.cpp中只有模板，模板本身是不编译的，没有模板实例化出来的compare<int>等函数，所以不可以

模板代码调用之前，一定要看到模板定义的地方，这样的话，模板才能进行正常的实例化，产生能够被编译器编译的代码。

所以，模板代码都是放在头文件.h当中的，然后在原文件当中直接进行#include包含

模板的非类型参数：

必须是整数类型（整数或者地址/引用都可以）是常量，只能使用，而不能修改

模板不仅可以接受类型参数typename T，还可以接受非类型参数。这些非类型参数可以是整型、指针、引用等。它们在编译时是常量，只能使用，不能修改

示例代码：

template <int N>
class Array {
public:int arr[N];int size() const { return N; }
};int main() {Array<5> myArray; // 创建一个包含5个整数的数组cout << "Array size: " << myArray.size() << endl;return 0;
}
// 使用模板实现冒泡排序
template <typename T, int N>
void bubbleSort(T* arr) {for (int i = N - 1; i >= 1; --i){int flag = 0;for (int j = 1; j <= i; ++j){if (arr[j - 1] > arr[j]){T temp = arr[j];arr[j] = arr[j - 1];arr[j - 1] = temp;flag = 1;}}if (flag == 0)return;}
}int main() {int arr[] = { 64, 34, 25, 12, 22, 11, 90 };const int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);// 调用冒泡排序模板函数bubbleSort<int, size>(arr);cout << "排序后的数组: ";for (int i : arr)cout << i << " ";cout << endl;return 0;
}

二、类模板

  • 类模板 → \to → 实例化 → \to → 模板类
  • 类名称 = 模板名称 + 类型参数列表
  • 为了简化，构造和析构函数不用加<T>，其他出现模板的地方都要加上
  • 类模板可以设置默认类型参数，实例化的时候只用写SeqStack<>就行了
//template<typename T = int> // 类模板可以设置默认类型参数
template<typename T>
class SeqStack
{
public:SeqStack(int size = 10):_pstack(new T[size]), _top(0), _size(size){}~SeqStack(){delete[]_pstack;_pstack = nullptr;}SeqStack(const SeqStack<T>& stack):_top(stack._top), _size(stack._size){_pstack = new T[_size];for (int i = 0; i < _top; i++)_pstack[i] = stack._pstack[i];}SeqStack<T>& operator=(const SeqStack<T>& stack){// 防止自赋值if (this == &stack)return *this;delete[]_pstack;_top = stack._top;_size = stack._size;_pstack = new T[_size];for (int i = 0; i < _top; i++)_pstack[i] = stack._pstack[i];return *this;}void push(const T& val);void pop(){cout << "pop():" << _pstack[_top] << endl;if (empty())return;--_top;}// 之前说过，对于只需要读的方法，最好写成常方法T top() const	// 返回栈顶元素{if (empty())throw "stack is empty";//抛异常也代表函数逻辑结束return _pstack[_top - 1];}bool full() const { return _top == _size; }	// 栈满bool empty() const { return _top == 0; }	// 栈空private:T* _pstack;int _top;int _size;// 扩容void expand(){T* ptmp = new T[_size * 2];for (int i = 0; i < _top; i++)ptmp[i] = _pstack[i];delete[] _pstack;_pstack = ptmp;_size *= 2;}
};// 在类外实现成员方法
// 注意点：1.加类的作用域SeqStack<T>::  2.写template<typename T>
template<typename T>
void SeqStack<T>::push(const T& val)
{cout << "push(const T& val):" << val << endl;if (full())expand();_pstack[++_top] = val;
}

三、类模板实践：实现向量容器vector

template<typename T>
class vector
{
public:vector(int size = 10){_first = new T[size];_last = _first;_end = _first + size;}~vector(){delete[] _first;_first = _last = _end = nullptr;}vector(const vector<T>& vec){int size = vec._end - vec._first;_first = new T[size];int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i)_first[i] = vec._first[i];_last = _first + len;_end = _first + size;}vector<T>& operator=(const vector<T>& vec){// 防止自赋值if (this == &vec)return *this;// 释放本身指向delete[] _first;// 拷贝int size = vec._end - vec._first;_first = new T[size];int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i)_first[i] = vec._first[i];_last = _first + len;_end = _first + size;}void push_back(const T& val)	// 向容器末尾添加元素{if (full())expend();*_last++ = val;}void pop_back()		// 从容器末尾删除元素{if (empty())return;--_last;}T back() const		// 返回容器末尾的元素的值{return *(_last - 1);}bool full() const { return _last == _end; }bool empty() const { return _first == _last; }int size() const { return _last - _first; }private:T* _first;	// 指向数组起始位置T* _last;	// 指向数组中有效元素的后继位置T* _end;	// 指向数组空间的后继位置void expend()	// 容器的二倍扩容{int size = _end - _first;T* ptmp = new T[2 * size];for (int i = 0; i < size; ++i)ptmp[i] = _first[i];delete[] _first;_first = ptmp;_last = _first + size;_end = _first + 2 * size;}
};int main()
{vector<int> vec;for (int i = 0; i < 20; ++i)vec.push_back(i);vec.pop_back();	// 弹出19while (!vec.empty()){// 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0cout << vec.back() << " ";vec.pop_back();}cout << endl;return 0;
}

四、理解容器空间配置器allocator的重要性

先来看一下目前会有哪些问题？

template<typename T>
class vector { ... };	// 同上节class Test
{
public:Test() { cout << "Test构造" << endl; }~Test() { cout << "~Test析构" << endl; }Test(const Test& t) { cout << "Test拷贝构造" << endl; }
};
int main()
{vector<Test> vec;return 0;
}

运行结果：

Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构

一个空容器，竟然构造了10个Test对象，在vector的构造函数里使用了new，这不仅会开辟空间，还会去调用构造函数去构造对象，这明显是不合理的！

也就是我们需要把内存开辟和对象构造分开处理

在vector的析构函数里面使用delete，即delete[] _first;，这会把_first指针指向数组的每一个元素都析构一遍，而我们应该是析构容器中有效的元素（数组可能很长，里面可能只有几个有效元素），然后释放_first指针指向的堆内存

另外我们来看，当我们添加一些对象的时候：

int main()
{Test t1, t2, t3;cout << "--------------------" << endl;vector<Test> vec;vec.push_back(t1);vec.push_back(t2);vec.push_back(t3);cout << "--------------------" << endl;vec.pop_back();cout << "--------------------" << endl;return 0;
}

运行结果：

Test构造
Test构造
Test构造
--------------------
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
Test构造
-------------------- # 这里pop_back没析构，明显不行
--------------------
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构
~Test析构

现在的逻辑：vector底层用了new，相当于容器中每一个位置已经放了一个Test()对象，我们现在push_back(t1)是用t1去给容器里的的Test()对象赋值；

正确的逻辑：容器中生成的只有内存，而没有对象，push_back的时候应该是在已有的内存上面进行拷贝构造，

同时，容器中的对象很有可能占用外部资源，而pop_back现在的逻辑只是--_last;，下一次再添加对象的时候覆盖当前内存，指向外部资源的指针就丢失了，因此在pop_back的时候应该析构当前的对象，但是注意不能使用delete，因为delete不仅会调用对象的析构函数，而且还做一个free操作，把当前的内存释放掉，在这里面我们正确的需求是只析构对象，而不释放容器内部的空间。

也就是我们需要把对象的析构和内存释放分开处理

那么，我们想要解决以上的问题，这就需要容器的空间配置器allocator

容器的空间配置器allocator做的四件事：

  • 内存开辟/内存释放
  • 对象构造/对象析构

那我们现在来实现一个自己的空间配置器

// 定义容器的空间配置器，和C++标准库的allocator实现一样
template<typename T>
class Allocator
{
public:T* allocate(size_t size)	// 负责内存开辟{return (T*)malloc(sizeof(T) * size);}void deallocate(void* p)	// 负责内存释放{free(p);}void construct(T* p, const T& val)// 负责对象构造{new (p) T(val); // 定位new// 在指定内存上构造一个值为val的对象，这回调用T的拷贝构造}void destruct(T* p)			// 负责对象析构{p->~T(); // ~T()代表了T类型的析构函数}
};

添加到vector中：

// 注意不要只写Allocator，这是模板名称，要是类名称才对
template<typename T, typename Alloc = Allocator<T>>
class vector
{
public:vector(int size = 10){// 需要把内存开辟和对象构造分开处理// _first = new T[size];_first = _allocator.allocate(size);_last = _first;_end = _first + size;}~vector(){// 析构容器中有效的元素，然后释放_first指针指向的堆内存// delete[] _first;for (T* p = _first; p != _last; ++p)_allocator.destruct(p);		// 析构有效元素_allocator.deallocate(_first);	// 释放堆上的数组内存_first = _last = _end = nullptr;}vector(const vector<T>& vec){int size = vec._end - vec._first;// _first = new T[size];_first = _allocator.allocate(size);int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i){// _first[i] = vec._first[i];_allocator.construct(_first + i, vec._first[i]);}_last = _first + len;_end = _first + size;}vector<T>& operator=(const vector<T>& vec){if (this == &vec)return *this;// delete[] _first;// 和析构~vector()一样for (T* p = _first; p != _last; ++p)_allocator.destruct(p);		// 析构有效元素_allocator.deallocate(_first);	// 释放堆上的数组内存// 和拷贝构造一样int size = vec._end - vec._first;// _first = new T[size];_first = _allocator.allocate(size);int len = vec._last - vec._first;for (int i = 0; i < len; ++i){// _first[i] = vec._first[i];_allocator.construct(_first + i, vec._first[i]);}_last = _first + len;_end = _first + size;}void push_back(const T& val){if (full())expend();// *_last++ = val;// 现在要在_last指针指向的内存构造一个值为val的对象_allocator.construct(_last, val);++_last;}void pop_back(){if (empty())return;// --_last;// 不仅要--_last，还需要析构删除的元素--_last;_allocator.destruct(_last);}T back() const{return *(_last - 1);}bool full() const { return _last == _end; }bool empty() const { return _first == _last; }int size() const { return _last - _first; }private:T* _first;T* _last;T* _end;Alloc _allocator; // 定义容器的空间配置器对象void expend(){int size = _end - _first;//T* ptmp = new T[2 * size];T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);for (int i = 0; i < size; ++i){// ptmp[i] = _first[i];_allocator.construct(ptmp + i, _first[i]);}//delete[] _first;for (T* p = _first; p != _last; ++p)_allocator.destruct(p);		// 析构有效元素_allocator.deallocate(_first);	// 释放堆上的数组内存_first = ptmp;_last = _first + size;_end = _first + 2 * size;}
};

使用&未使用allocator的对比：
在这里插入图片描述
可以看到，使用空间配置器之后才是正确的逻辑！！

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