《C++ Primer Plus》14.4 类模板 学习笔记

14.4.1 定义类模板
下面以第10章的Stack类为基础来建立模板。原来的类声明如下：
typedef unsigned long Item;

class Stack
{
private:
    enum {MAX = 10};    // constant specific to class
    Item items[MAX];    // holds stack items
    int top;            // index for top stack item
public:
    Stack();
    bool isempty() const;
    bool isfull() const;
    // push() returns false if stack already is full, true otherwise
    bool push(const Item & item);   // add item to stack
    // pop() returns false if stack already is empty, true otherwise
    bool pop(Item & item);          // pop top into item
};
采用模板时，将使用模板定义替换Stack声明，使用模板成员函数替换Stack的成员函数。和模板函数一样，模板类以下面这样的代码开头：
template <class Type>
关键字template告诉编译器，将要定义一个模板。尖括号中的内容相当于函数的参数列表。可以把关键字class看作是变量的类型名，该变量接受类型作为其值，把Type看作是改变量的名称。
这里使用class并不意味着Type必须是一个类；而只是表明Type是一个通用的类型说明符，在使用模板时，将使用实际的类型替换它。较新的C++实现允许在这种情况下使用不太容易混淆的关键字typename代替class：
template <typename Type>    // new choice
可以使用自己的泛型名代替Type，其命名规则与其他标识符相同。当前比较流行的选项包括T和Type。在模板定义中，可以使用泛型名来标识要存储在栈中的类型。对于Stack来说，这意味着将声明中所有的typedef标识符Item替换为Type。例如，
Item items[MAX];    // holds stack items
应改为：
Type items[MAX];    // holds stack items
同样，可以使用模板成员函数替换原有类的类方法。每个函数头都将以相同的模板声明打头：
template <class Type>
同样应使用泛型名Type替换typedef标识符Item。另外，还需要将限定符从Stack::改为Stack<Type>::。例如，
bool Stack::push(const Item & item)
{
...
}
应改为：
template <class Type>       // or template <typename Type>
bool Stack<Type>::push(const Type & item)
{
...
}
如果在类声明中定义了方法（内联定义），则可以省略模板前缀和类限定符。
程序清单14.13列出了类模板和成员函数。知道这些模板不是类和成员函数定义至关重要。它们是C++编译器指令，说明了如何生成类和成员函数定义。模板的具体是现——如用来处理string对象的栈类——被称为实例化（instantiation）或具体化（specialization）。不能将模板成员函数放在独立的实现文件中。由于模板不是函数，它们不能单独编译。模板必须与特定的模板实例化请求一起使用。为此，最简单的方法是将所有模板信息放在一个头文件中，并在要使用这些模板的文件中包含该文件头。
程序清单14.13 stacktp.h

// stacktp.h -- a stack template
#ifndef STACKTP_H_
#define STACKTP_H_

template <class Type>
class Stack
{
private:
    enum {MAX = 10};    // constant specific to class
    Type items[MAX];    // holds stack items
    int top;            // index for top stack item
public:
    Stack();
    bool isempty();
    bool isfull();
    bool push(const Type & item);   // add item to stack
    bool pop(Type & item);          // pop top into item
};

template <class Type>
Stack<Type>::Stack()
{
    top = 0;
}

template <class Type>
bool Stack<Type>::isempty()
{
    return top == 0;
}

template <class Type>
bool Stack<Type>::isfull()
{
    return top == MAX;
}

template <class Type>
bool Stack<Type>::push(const Type & item)
{
    if (top < MAX)
    {
        items[top++] = item;
        return true;
    }
    else
        return false;
}

template <class Type>
bool Stack<Type>::pop(Type & item)
{
    if (top > 0)
    {
        item = items[--top];
        return true;
    }
    else
        return false;
}

#endif // STACKTP_H_

14.4.2 使用模板类
仅在程序包含模板并不能生成模板类，而必须请求实例化。为此，需要生命一个类型为模板类的对象，方法是使用所需的具体类型替换泛型名。例如，下面的代码创建两个栈，一个用于存储int，另一个用于存储string对象：
Stack<int> kernels;        // create a stack of ints
Stack<string> colonels;        // create a stack of string objects
看到上述声明后，编译器将按Stack<Type>模板来生成两个独立的类声明和两组独立的类方法。
程序清单14.14修改了原来的栈测试程序（程序清单11.12），使用字符串而不是unsigned long值作为订单ID。
程序清单14.14 stacktem.cpp

// stacktem.cpp -- testing the template stack class
#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
#include "stacktp.h"
using std::cin;
using std::cout;

int main()
{
    Stack<std::string> st;  // create an empty stack
    char ch;
    std::string po;
    cout << "Please enter A to add a purchase order.
"
         << "P to process a PO, or Q to quit.
";
    while (cin >> ch && std::toupper(ch) != 'Q')
    {
        while (cin.get() != '
')
            continue;
        if (!std::isalpha(ch))
        {
            cout << 'a';
            continue;
        }
        switch (ch)
        {
            case 'A':
            case 'a':   cout << "Enter a PO number to add: ";
                        cin >> po;
                        if (st.isfull())
                            cout << "stack already full
";
                        else
                            st.push(po);
                        break;
            case 'P':
            case 'p':   if (st.isempty())
                            cout << "stack already empty
";
                        else {
                            st.pop(po);
                            cout << "PO #" << po << " popped
";
                            break;
                        }
        }
        cout << "Please enter A to add a purchase order.
"
             << "P to process a PO, or Q to quit.
";
    }
    cout << "Bye
";
    return 0;
}

效果：

Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
A
Enter a PO number to add: moonlightpoet
Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
A
Enter a PO number to add: moonlit
Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
P
PO #moonlit popped
Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
P
PO #moonlightpoet popped
Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
P
stack already empty
Please enter A to add a purchase order.
P to process a PO, or Q to quit.
Q
Bye

 
可以通过如下方法声明一个允许指定数组大小的简单数组模板：
template <class T, int n>
class ArrayTP
{
...
};
请注意class（或在这种上下文中等价的关键字typename）指出T为类型参数，int指出n的类型为int。这种参数（指定特定的类型而不是用作泛型名）称为非类型（non-type）或表达式（expression）参数。假设有下面的声明：
ArrayTP<double, 12> eggweights;
这将导致编译器定义名为ArrayTP<double, 12>的类，并创建一个类型为ArrayTP<double, 12>的eggweight对象。定义类时，编译器将使用double替换T，使用12替换n。

14.4.5 模板多功能性
可以将用于常规类的技术用于模板类。模板类可用作基类，也可用作组件类，还可用作其他模板的类型参数。例如，可以使用数组模板实现栈模板，也可以使用数组模板来构造数组——数组元素是基于栈模板的栈。即可以编写下面的代码：
template <typename T>   // or <class T>
class Array
{
private:
    T entry;
    ...
};

template <typename Tp>
class Stack
{
    Array<Tp> ar;   // use an Array<> as a component
};
...
Array < Stack<int> > asi;   // an array of stacks of int
在最后一条语句中，C++98要求使用至少一个空白字符将两个>符号分开，以免与运算符>>混淆。C++11不要求这样做。
1.递归使用模板
可以递归使用模板。例如，对于前面的数组模板定义，可以这样使用它：
ArrayTP < ArrayTP<int,5>, 10> twodee;
2.使用多个类型参数
模板可以包含多个类型参数。例如，假设希望类可以保存两种值，则可以创建并使用Pair模板来保存两个不同的值（标准模板库提供了类似的模板，名为pair）。程序清单14.19所示的小程序是一个这样的示例。其中，方法first() const和second() const报告存储的值，由于这两个方法返回Pair数据成员的引用，因此让您能够通过赋值重新设置存储的值。
程序清单14.19 pairs.cpp

// pairs.cpp -- defining and using a Pair template
#include <iostream>
#include <string>
template <class T1, class T2>
class Pair
{
private:
    T1 a;
    T2 b;
public:
    T1 & first();
    T2 & second();
    T1 first() const { return a; }
    T2 second() const { return b; }
    Pair(const T1 & aval, const T2 & bval) : a(aval), b(bval) { }
    Pair() {}
};

template<class T1, class T2>
T1 & Pair<T1,T2>::first()
{
    return a;
}
template<class T1, class T2>
T2 & Pair<T1,T2>::second()
{
    return b;
}

int main()
{
    using std::cout;
    using std::endl;
    using std::string;
    Pair<string, int> ratings[4] =
    {
        Pair<string, int>("The Purpled Duck", 5),
        Pair<string, int>("Jaquie's Frisco Al Fresco", 4),
        Pair<string, int>("Cafe Souffle", 5),
        Pair<string, int>("Bertie's Eats", 3)
    };

    int joints = sizeof(ratings) / sizeof (Pair<string, int>);
    cout << "Rating:	 Eatery
";
    for (int i = 0; i < joints; i ++)
        cout << ratings[i].second() << ":	"
             << ratings[i].first() << endl;
    cout << "Oops! Revised rating:
";
    ratings[3].first() = "Bertie's Fab Eats";
    ratings[3].second() = 6;
    cout << ratings[3].second() << ":	 "
         << ratings[3].first() << endl;
    return 0;
}

输出如下：

Rating:	 Eatery
5:	The Purpled Duck
4:	Jaquie's Frisco Al Fresco
5:	Cafe Souffle
3:	Bertie's Eats
Oops! Revised rating:
6:	 Bertie's Fab Eats

 3.默认类型模板参数
类模板的另一项新特性是，可以为类型参数提供默认值：
template <class T1, class T2 = int> class Topo {...};
这样，如果省略T2的值，编译器将使用int：
Topo<double, double> m1;    // T1 is double, T2 is double
Topo<double> m2;        // T1 is double, T2 is int

14.4.6 模板的具体化
*** 隐式实例化、显式实例化和显式具体化。……

14.4.7 成员模板
……

14.4.8 将模板用作参数
模板可以包含类型参数（如typename T）和非类型参数（如int n）。模板还可以包含本身就是模板的参数，这种参数是模板新增的特性，用于实现STL。
template <template <typename T> class Thing>
class Crab
模板参数是template <typename T> class Thing，其中template <typename T> class 是类型，Thing是参数。

14.4.9 模板类和友元
……

14.4.10 模板别名
template<typename T>
  using arrtype = std::arrat<T,12>;    // template to create multiple aliases
这将arrtype定义为一个模板别名，可使用它来指定类型，如下所示：
arrtype<double> gallons;    // gallons is type std::array<double, 12>
arrtype<int> days;        // days is type std::array<int, 12>
arrtype<std::string> months;    // months is type std::array<std::string, 12>
C++11允许将语法using=用于非模板。用于非模板时，这种语法与常规typedef等价：
typedef const char * pc1;
using pc2 = const char *;
typedef const int *(*pa1)[10];
using ps2 = const int *(*)[10];