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C++类模板5分钟入门教程

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C++ 除了支持函数模板，还支持类模板（Class Template）。函数模板中定义的类型参数可以用在函数声明和函数定义中，类模板中定义的类型参数可以用在类声明和类实现中。类模板的目的同样是将数据的类型参数化。

声明类模板的语法为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …> class 类名{
    //TODO:
};

类模板和函数模板都是以 template 开头（当然也可以使用 class，目前来讲它们没有任何区别），后跟类型参数；类型参数不能为空，多个类型参数用逗号隔开。

一但声明了类模板，就可以将类型参数用于类的成员函数和成员变量了。换句话说，原来使用 int、float、char 等内置类型的地方，都可以用类型参数来代替。

假如我们现在要定义一个类来表示坐标，要求坐标的数据类型可以是整数、小数和字符串，例如：
  • x = 10、y = 10
  • x = 12.88、y = 129.65
  • x = "东经180度"、y = "北纬210度"

这个时候就可以使用类模板，请看下面的代码： 
  1. template<typename T1, typename T2>  //这里不能有分号
  2. class Point{
  3. public:
  4.     Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
  5. public:
  6.     T1 getX() const;  //获取x坐标
  7.     void setX(T1 x);  //设置x坐标
  8.     T2 getY() const;  //获取y坐标
  9.     void setY(T2 y);  //设置y坐标
  10. private:
  11.     T1 m_x;  //x坐标
  12.     T2 m_y;  //y坐标
  13. };
x 坐标和 y 坐标的数据类型不确定，借助类模板可以将数据类型参数化，这样就不必定义多个类了。
注意：模板头和类头是一个整体，可以换行，但是中间不能有分号。
上面的代码仅仅是类的声明，我们还需要在类外定义成员函数。在类外定义成员函数时仍然需要带上模板头，格式为：

template<typename 类型参数1 , typename 类型参数2 , …>
返回值类型 类名<类型参数1 , 类型参数2, ...>::函数名(形参列表){
    //TODO:
}

第一行是模板头，第二行是函数头，它们可以合并到一行，不过为了让代码格式更加清晰，一般是将它们分成两行。

下面就对 Point 类的成员函数进行定义： 
  1. template<typename T1, typename T2>  //模板头
  2. T1 Point<T1, T2>::getX() const /*函数头*/ {
  3.     return m_x;
  4. }
  5.  
  6. template<typename T1, typename T2>
  7. void Point<T1, T2>::setX(T1 x){
  8.     m_x = x;
  9. }
  10.  
  11. template<typename T1, typename T2>
  12. T2 Point<T1, T2>::getY() const{
  13.     return m_y;
  14. }
  15.  
  16. template<typename T1, typename T2>
  17. void Point<T1, T2>::setY(T2 y){
  18.     m_y = y;
  19. }
请读者仔细观察代码，除了 template 关键字后面要指明类型参数，类名 Point 后面也要带上类型参数，只是不加 typename 关键字了。另外需要注意的是，在类外定义成员函数时，template 后面的类型参数要和类声明时的一致。

使用类模板创建对象

上面的两段代码完成了类的定义，接下来就可以使用该类创建对象了。使用类模板创建对象时，需要指明具体的数据类型。请看下面的代码： 
  1. Point<int, int> p1(10, 20);
  2. Point<int, float> p2(10, 15.5);
  3. Point<float, char*> p3(12.4, "东经180度");
与函数模板不同的是，类模板在实例化时必须显式地指明数据类型，编译器不能根据给定的数据推演出数据类型。

除了对象变量，我们也可以使用对象指针的方式来实例化： 
  1. Point<float, float> *p1 = new Point<float, float>(10.6, 109.3);
  2. Point<char*, char*> *p = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");
需要注意的是，赋值号两边都要指明具体的数据类型，且要保持一致。下面的写法是错误的：
  1. //赋值号两边的数据类型不一致
  2. Point<float, float> *p = new Point<float, int>(10.6, 109);
  3. //赋值号右边没有指明数据类型
  4. Point<float, float> *p = new Point(10.6, 109);

综合示例

【实例1】将上面的类定义和类实例化的代码整合起来，构成一个完整的示例，如下所示： 
  1. #include <iostream>
  2. using namespace std;
  3.  
  4. template<class T1, class T2>  //这里不能有分号
  5. class Point{
  6. public:
  7.     Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
  8. public:
  9.     T1 getX() const;  //获取x坐标
  10.     void setX(T1 x);  //设置x坐标
  11.     T2 getY() const;  //获取y坐标
  12.     void setY(T2 y);  //设置y坐标
  13. private:
  14.     T1 m_x;  //x坐标
  15.     T2 m_y;  //y坐标
  16. };
  17.  
  18. template<class T1, class T2>  //模板头
  19. T1 Point<T1, T2>::getX() const /*函数头*/ {
  20.     return m_x;
  21. }
  22.  
  23. template<class T1, class T2>
  24. void Point<T1, T2>::setX(T1 x){
  25.     m_x = x;
  26. }
  27.  
  28. template<class T1, class T2>
  29. T2 Point<T1, T2>::getY() const{
  30.     return m_y;
  31. }
  32.  
  33. template<class T1, class T2>
  34. void Point<T1, T2>::setY(T2 y){
  35.     m_y = y;
  36. }
  37.  
  38. int main(){
  39.     Point<int, int> p1(10, 20);
  40.     cout<<"x="<<p1.getX()<<", y="<<p1.getY()<<endl;
  41.  
  42.     Point<int, char*> p2(10, "东经180度");
  43.     cout<<"x="<<p2.getX()<<", y="<<p2.getY()<<endl;
  44.  
  45.     Point<char*, char*> *p3 = new Point<char*, char*>("东经180度", "北纬210度");
  46.     cout<<"x="<<p3->getX()<<", y="<<p3->getY()<<endl;
  47.  
  48.     return 0;
  49. }
运行结果：
x=10, y=20
x=10, y=东经180度
x=东经180度, y=北纬210度

在定义类型参数时我们使用了 class，而不是 typename，这样做的目的是让读者对两种写法都熟悉。

【实例2】用类模板实现可变长数组。
  1. #include <iostream>
  2. #include <cstring>
  3. using namespace std;
  4. template <class T>
  5. class CArray
  6. {
  7.     int size; //数组元素的个数
  8.     T *ptr; //指向动态分配的数组
  9. public:
  10.     CArray(int s = 0);  //s代表数组元素的个数
  11.     CArray(CArray & a);
  12.     ~CArray();
  13.     void push_back(const T & v); //用于在数组尾部添加一个元素v
  14.     CArray & operator=(const CArray & a); //用于数组对象间的赋值
  15.     T length() { return size; }
  16.     T & operator[](int i)
  17.     {//用以支持根据下标访问数组元素，如a[i] = 4;和n = a[i]这样的语句
  18.         return ptr[i];
  19.     }
  20. };
  21. template<class T>
  22. CArray<T>::CArray(int s):size(s)
  23. {
  24.      if(s == 0)
  25.          ptr = NULL;
  26.     else
  27.         ptr = new T[s];
  28. }
  29. template<class T>
  30. CArray<T>::CArray(CArray & a)
  31. {
  32.     if(!a.ptr) {
  33.         ptr = NULL;
  34.         size = 0;
  35.         return;
  36.     }
  37.     ptr = new T[a.size];
  38.     memcpy(ptr, a.ptr, sizeof(T ) * a.size);
  39.     size = a.size;
  40. }
  41. template <class T>
  42. CArray<T>::~CArray()
  43. {
  44.      if(ptr) delete [] ptr;
  45. }
  46. template <class T>
  47. CArray<T> & CArray<T>::operator=(const CArray & a)
  48. { //赋值号的作用是使"="左边对象里存放的数组，大小和内容都和右边的对象一样
  49.     if(this == & a) //防止a=a这样的赋值导致出错
  50.     return * this;
  51.     if(a.ptr == NULL) {  //如果a里面的数组是空的
  52.         if( ptr )
  53.             delete [] ptr;
  54.         ptr = NULL;
  55.         size = 0;
  56.         return * this;
  57.     }
  58.      if(size < a.size) { //如果原有空间够大，就不用分配新的空间
  59.          if(ptr)
  60.             delete [] ptr;
  61.         ptr = new T[a.size];
  62.     }
  63.     memcpy(ptr,a.ptr,sizeof(T)*a.size);   
  64.     size = a.size;
  65.      return *this;
  66. }
  67. template <class T>
  68. void CArray<T>::push_back(const T & v)
  69. {  //在数组尾部添加一个元素
  70.     if(ptr) {
  71.         T *tmpPtr = new T[size+1]; //重新分配空间
  72.     memcpy(tmpPtr,ptr,sizeof(T)*size); //拷贝原数组内容
  73.     delete []ptr;
  74.     ptr = tmpPtr;
  75. }
  76.     else  //数组本来是空的
  77.         ptr = new T[1];
  78.     ptr[size++] = v; //加入新的数组元素
  79. }
  80. int main()
  81. {
  82.     CArray<int> a;
  83.     for(int i = 0;i < 5;++i)
  84.         a.push_back(i);
  85.     for(int i = 0; i < a.length(); ++i)
  86.         cout << a[i] << " ";   
  87.     return 0;
  88. }
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