C++模板类（类模板）的定义和使用

类也可以像函数一样被不同的类型参数化，如 STL 中的 vector 容器就是典型的例子，使用 vector 不需要关心容器中的数据类型，就可以对数据进行操作。

类模板定义与实例化

函数可以定义函数模板，同样地，对于类来说，也可以定义一个类模板。

类模板是针对成员数据类型不同的类的抽象，它不是一个具体实际的类，而是一个类型的类，一个类模板可以生成多种具体的类。

类模板的定义格式如下所示：

template<typename 类型占位符>
class 类名
{
}

类模板中的关键字含义与函数模板相同。需要注意的是，类模板的模板参数不能为空。一旦声明类模板，就可以用类模板的参数名声明类中的成员变量和成员函数，即在类中使用数据类型的地方都可以使用模板参数名来声明。

定义类模板示例代码如下所示：

template<typename T>
class A
{
public:
    T a;
    T b;
    T func(T a, T b);
};

上述代码中，在类 A 中声明了两个T类型的成员变量 a 和 b，还声明了一个返回值类型为 T 并带两个 T 类型参数的成员函数 func()。

定义了类模板就要使用类模板创建对象以及实现类中的成员函数，这个过程其实也是类模板实例化的过程，实例化出的具体类称为模板类。

如果用类模板创建类的对象，例如，用上述定义的类模板 A 创建对象，则在类模板 A 后面加上一个 <>，并在里面表明相应的类型，示例代码如下所示：

A<int> a;

这样类 A 中凡是用到模板参数的地方都会被int类型替换。如果类模板有多个模板参数，创建对象时，多个类型之间要用逗号分隔开。

例如，定义一个有两个模板参数的类模板 B，然后用 B 创建类对象，示例代码如下所示：

template<typename T1, typename T2>
class B
{
public:
    T1 a;
    T2 b;
    T1 func(T1 a, T2& b);
};
B<int,string> b;   //创建模板类B<int,string>的对象b

使用类模板时，必须要为模板参数显式指定实参，不存在实参推演过程，也就是说不存在将整型值 10 推演为 int 类型再传递给模板参数的过程，必须要在 <>中指定 int 类型，这一点与函数模板不同。

【示例1】下面通过案例演示类模板的实例化，C++ 代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
template< typename T>   //类模板的定义
class Array
{
private:
    int _size;
    T* _ptr;
public:
    Array(T arr[], int s);
    void show();
};
template<typename T>   //类模板外定义其成员函数
Array<T>::Array(T arr[], int s)
{
    _ptr = new T[s];
    _size = s;
    for (int i=0;i<_size; i++)
    {
        _ptr[i]=arr[i];
    }
}
template<typename T>   //类模板外定义其成员函数
void Array<T>::show()
{
    for(int i=0;i<_size;i++)
        cout<<*(_ptr + i)<<" ";
    cout<<endl;
}
int main()
{
    char cArr[] = { 'a', 'b', 'c', 'd', 'e' };
    Array<char> a1(cArr, 5);   //创建类模板的对象
    a1.show();
    int iArr[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
    Array<int> a2(iArr, 10);
    a2.show();
    return 0;
}

运行结果：

a b c d e
1 2 3 4 5 6 0 0 0 0

示例分析：

• 第 3～12 行代码定义了一个类模板 Array，Array 的构造函数有一个数组类型参数；
• 第 33 行代码在创建类对象 a1 时，用 char 类型的数组去初始化，调用 show() 函数输出数组元素；
• 第 36 行代码创建对象 a2 时，用 int 类型的数组去初始化，调用 show() 函数输出数组元素。

需要注意的是，类模板在实例化时，带有模板参数的成员函数并不会跟着实例化，这些成员函数只有在被调用时才会被实例化。

类模板的派生

类模板和普通类一样也可以继承和派生，以实现代码复用。

类模板的派生一般有三种情况：类模板派生普通类、类模板派生类模板、普通类派生类模板。这三种派生关系可以解决很多实际问题。

下面针对这三种派生关系进行讲解。

1) 类模板派生普通类

在 C++ 中，可以从任意一个类模板派生一个普通类。在派生过程中，类模板先实例化出一个模板类，这个模板类作为基类派生出普通类。

类模板派生普通类的示例代码如下所示：

template<typename T>
class Base   //类模板Base
{
private:
    T x;
    T y;
public:
    Base();
    Base(T x, T y);
    Base getx();
    Base gety();
    ~ Base();
};
class Derive:public Base<double>   //普通类Derive公有继承类模板Base
{
private:
    double num;
public:
    Derive(double a, double b, double c):num(c), Base<double>(a, b){}
};

在上述代码中，类模板 Base 派生出了普通类 Derive，其实在这个派生过程中类模板 Base 先实例化出了一个 double 类型的模板类，然后由这个模板类派生出普通类Derive，因此在派生过程中需要指定模板参数类型。

2) 类模板派生类模板

类模板也可以派生出一个新的类模板，它和普通类之间的派生几乎完全相同。但是，派生类模板的模板参数受基类模板的模板参数影响。

例如，由类模板 Base 派生出一个类模板 Derive，示例代码如下：

template<typename T>
class Base
{
public:
    T _a;
public:
    Base(T n):_a(n) {}
    T get() const { return _a; }
};
template<typename T, typename U>
class Derive:public Base<U>
{
public:
    U _b;
public:
    Derive(T t, U u):Base<T>(t), _b(u) {}
    U sum() const { return _b + U(Base::get()); }
};

上述代码中，类模板 Derive 由类模板 Base 派生，Derive 的部分成员变量和成员函数类型由类模板 Base 的参数 U 确定，因此 Derive 仍然是一个模板。

类模板派生类模板技术可以用来构建类模板的层次结构。

3) 普通类派生类模板

普通类也可以派生类模板，普通类派生类模板可以把现存类库中的类转换为通用的类模板，但在实际编程中，这种派生方式并不常用，本文只对它作一个简单示例，读者只需要了解即可。

普通类派生类模板示例代码如下所示：

class Base
{
    int _a;
public:
    Base(int n):_a(n){}
    int get() const {return _a;}
};
template<typename T>
class Derive: public Base
{
    T _b;
public:
    Derive(int n, T t):Base(n), _b(t){}
    T sum() const {return _b + (T)get();}
};

在上述代码中，类 Base 是普通类，类模板 Derive 继承了普通类 Base。利用这种技术，程序设计者能够从现存类中创建类模板，由此可以创建基于非类模板库的类模板。

类模板与友元函数

在类模板中声明友元函数有三种情况：非模板友元函数、约束模板友元函数和非约束模板友元函数。

接下来，将针对这三种友元函数进行详细讲解。

1) 非模板友元函数

非模板友元函数就是将一个普通函数声明为友元函数。例如，在一个类模板中声明一个友元函数，示例代码如下：

template<typename T>
class A
{
    T _t;
public:
    friend void func();
};

在类模板 A 中，将普通函数 func() 声明为友元函数，则 func() 函数是类模板 A 所有实例的友元函数。上述代码中，func() 函数为无参函数。

除此之外，还可以将带有模板类参数的函数声明为友元函数，示例代码如下：

template<typename T>
class A
{
    T _t;
public:
    friend void show(const A<T>& a);
};

在上述代码中，show() 函数并不是函数模板，只是有一个模板类参数。

调用带有模板类参数的友元函数时，友元函数必须显式具体化，指明友元函数要引用的参数的类型，例如：

void show(const A<int>& a);
void show(const A<double>& a);

上述代码中，模板参数为 int 类型的 show() 函数是 A<int> 类的友元函数，模板参数为 double 类型的 show() 函数是 A<double> 类的友元函数。

【示例2】下面通过案例演示非模板友元函数的用法，C++ 代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>
class A
{
    T _item;
    static int _count;   //静态变量
public:
    A(const T& t) :_item(t){ _count++; }
    ~A(){ _count--; }
    friend void func();   //无参友元函数func()
    friend void show(const A<T>& a);   //有参友元函数show()
};
template<typename T>
int A<T>::_count = 0;   //初始化静态变量
void func()   //func()函数实现
{
    cout<<"int count:"<<A<int>::_count<<";";
    cout<<"double count:"<<A<double>::_count<<";"<<endl;
}  
//模板参数为int类型
void show(const A<int>& a){cout<<"int:"<<a._item<<endl;}
void show(const A<double>& a){cout<<"double:"<<a._item<<endl;}
int main()
{
    func();   //调用无参友元函数
    A<int> a(10);   //创建int类型对象
    func();
    A<double> b(1.2);
    show(a);   //调用有参友元函数
    show(b);
    return 0;
}

运行结果：

int count:0;double count:0;
int count:1;double count:0;
int:10
double:1.2

示例分析：

• 第 3～13 行代码定义了类模板 A，在类模板 A 中声明了两个友元函数 func() 和 show()。其中，func() 函数为无参友元函数，show() 函数有一个模板类对象作为参数。此外，类模板 A 还声明了静态成员变量 _count，用于记录每一种模板类创建的对象个数；
• 第 16～20 行代码是 func() 函数的定义，func() 函数的作用是输出 A<int> 类对象和 A<double> 类对象的个数；
• 第 22～23 行代码分别定义了 show(const A<int>&a) 函数和 show(const A<double>&a) 函数，用于分别输出 A<int> 类对象和 A<double> 类对象的值；
• 第 26 行代码调用 func() 函数，此时还未创建任何模板类对象；
• 第 27 行代码创建了 A<int> 模板类对象 a，初始化值为 10；
• 第 28 行再次调用 func() 函数；
• 第 29 行代码创建 A<double> 模板类对象b，初始化值为1.2；
• 第 30～31 行代码调用 show() 函数，分别传入对象a和对象b作为参数。

2) 约束模板友元函数

约束模板友元函数是将一个函数模板声明为类的友元函数。

函数模板的实例化类型取决于类模板被实例化时的类型，类模板实例化时会产生与之匹配的具体化友元函数。

在使用约束模板友元函数时，首先需要在类模板定义的前面声明函数模板。例如，有两个函数模板声明，示例代码如下：

template<typename T>
void func();
template<typename T>
void show(T& t);

声明函数模板之后，在类模板中将函数模板声明为友元函数。

在声明友元函数时，函数模板要实现具体化，即函数模板的模板参数要与类模板的模板参数保持一致，以便类模板实例化时产生与之匹配的具体化友元函数。示例代码如下所示：

template<typename U>   //类模板的定义
class A
{
…   //其他成员
    friend void func<U>();   //声明无参友元函数func()
    friend void show<>(A<U>& a);   //声明有参友元函数show()
…   //其他成员
};

在上述代码中，将函数模板 func() 与 show() 声明为类的友元函数，在声明时，func() 与 show() 的模板参数受类模板 A 的模板参数约束，与类模板的模板参数相同。

当生成 A<int> 模板类时，会生成与之匹配的 func<int>() 函数和 show<int>() 函数作为友元函数。

需要注意的是，在上述代码中，func() 函数模板没有参数，必须使用 <> 指定具体化的参数类型。show() 函数模板有一个模板类参数，编译器可以根据函数参数推导出模板参数，因此 show() 函数模板具体化中<>可以为空。

【示例3】下面通过案例演示约束模板友元函数的用法，C++ 代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>   //声明函数模板func()
void func();
template<typename T>   //声明函数模板show()
void show(T& t);
template<typename U>   //类模板的定义
class A
{
private:
    U _item;
    static int _count;
public:
    A(const U& u):_item(u){_count++;}
    ~A(){_count--;}
    friend void func<U>();   //声明友元函数func()
    friend void show<>(A<U>& a);   //声明友元函数show()
};
template<typename T>
int A<T>::_count = 0;
template<typename T>   //函数模板func()的定义
void func()
{
    cout<<"template size:"<<sizeof(A<T>)<<";";
    cout<<"template func():"<<A<T>::_count<<endl;
}
template<typename T>   //函数模板show()的定义
void show(T& t){cout<< t._item<<endl;}
int main()
{
    func<int>();   //调用int类型的函数模板实例，int类型，其大小为4字节
    A<int> a(10);   //定义A<int>类对象a
    A<int> b(20);   //定义A<int>类对象b
    A<double> c(1.2);   //定义A<double>类对象c
    show(a);   //调用show()函数，输出类对象a的值
    show(b);   //调用show()函数，输出类对象b的值
    show(c);   //调用show()函数，输出类对象c的值
    cout<<"func<int>output:\n";
    func<int>();   //运行到此，已经创建了两个int类型对象
    cout<<"func<double>()output:\n";
    func<double>();
    return 0;
}

运行结果：

template size:4;template func():0
10
20
1.2
func<int>output:
template size:4;template func():2
func<double>()output:
template size:8;template func():1

示例分析：

• 第 3～7 行代码声明函数模板 func() 和 show()；
• 第 16～17 行代码分别将函数模板 func() 与 show() 声明为类的友元函数；
• 第 21～26 行代码是函数模板 func() 的定义，用于输出某一类型模板类的大小及对象个数；
• 第 27～28 行代码是函数模板 show() 的定义，用于输出模板类对象的值。
• 第 31 行代码调用 func<int>()，即输出A<int>类的大小及对象个数；
• 第 32～34 行代码分别定义 A<int> 类对象 a 和 b，A<double> 类对象 c；
• 第 35～37 行代码调用 show() 函数，分别传入对象 a、b、c 作为参数，输出各对象的值；
• 第 39 行代码调用 func<int>() 函数，由于此时已经创建了两个 A<int> 类对象 a 和 b，因此输出的对象个数应当为 2；
• 第 41 行代码调用 func<double>() 函数，由于此时已经创建了一个 A<double> 类对象 c，因此输出的对象个数应当为 1。

3) 非约束模板友元函数

非约束模板友元函数是将函数模板声明为类模板的友元函数，但函数模板的模板参数不受类模板影响，即友元函数模板的模板参数与类模板的模板参数是不同的。

声明非约束模板友元函数示例代码如下所示：

template<typename T>
class A
{
    template<typename U, typename V>
    friend void show(U& u, V& v);
};

在上述代码中，类模板 A 将函数模板 show() 声明为友元函数，但 show() 的模板参数 U、V 不受类模板 A 的模板参数 T 影响，则函数模板 show() 就是类模板 A 的非约束友元函数。

函数模板 show() 的每个模板函数都是类模板 A 每个模板类的友元函数。

【示例4】下面通过案例演示非约束模板友元函数的用法，C++ 代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>   //定义类模板A
class A
{
private:
    T _item;
public:
    A(const T& t) :_item(t){}
    template<class U, class V>   //声明非约束模板友元函数
    friend void show(U& u, V& v);
};
template<typename U, typename V>   //函数模板show()的定义
void show(U& u, V& v){cout<<u._item<<","<<v._item<<endl;}
int main()
{
    A<int> a(10);   //定义A<int>类对象a
    A<int> b(20);   //定义A<int>类对象b
    A<double> c(1.2);   //定义A<int>类对象c
    cout<<"a,b: ";  
    show(a, b);   //调用show()函数，传入对象a、b作为实参
    cout<<"a,c:";
    show(a, c);   //调用show()函数，传入对象a、c作为实参
    return 0;
}

运行结果：

a,b: 10,20
a,c:10,1.2

示例分析：

• 第 3～12 行代码定义类模板 A，在类模板中将函数模板 show() 声明为非约束友元函数；
• 第 13～14 行代码是函数模板 show() 的定义；
• 第 17～19 行代码分别定义 A<int> 类对象 a 和 b，A<double> 类对象 c；
• 第 21 行代码调用 show() 函数，传入对象 a、b 作为实参；
• 第 23 行代码调用 show() 函数，传入对象 a、c 作为实参。

由此可知，非约束模板友元函数的模板参数与类模板的模板参数不相关，它可以接受任何类型的参数。

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