从例子看C++模版

c/c++

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2019-4-1

作为现代C++中最具表现力,被应用最广泛的一个语法功能,Templates(模版),无疑应该被仔细研究。自从有了STL,模版渐渐成为现代C++开发的主角。前不久因为老师的作业要求,我稍微学习了一下C++的模版,写一篇入门文,请大神轻喷,谢谢。

首先应该看的是函数模版:这是最简单的模版了。而函数模版中最简单的例子,应该就是max函数了。以下是我写的一个example:

    #include <iostream>
    #include <string>
    using namespace std;
    //模版的声明语法
    //这里声明了一个tmax模版,其中可能发生变化的只是一个类型T,至于T是什么我们并不关心
    template <typename T>
    T tmax (T a, T b)
    {
        return a < b ? b : a;
    }
    int main()
    {
        cout << tmax(3,4) << endl;
        cout << tmax(4.9,4.8) << endl;
        string s1("watch"),s2("which");
        cout << tmax(s1,s2) << endl;
        return 0;
    }

模版的魅力就在于,它不需要对象的具体类型,只需要支持进行某些方法或者运算符。这里的tmax函数,无论抛给它的是int,double还是string,都能正确使用,虽然实际上实现的机理是不一样的。对于开发者而言,只需要知道对象支持什么功能即可,并不需要考虑对象究竟是什么,这很有Duck Typing的味道。需要注意的是,C++对模版的实现机理,实际上是对每种可能的参数情况分别编译,也就是说,这段代码实际上会产生3个tmax,分别对应int,double和string。

这个例子应该很好看懂。接下来我们看类模版:

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
//声明一个模版,接收参数分别是类型名T和一个整数N
template <typename T,int N>
class Matrix
{
public:
    T d[N][N];
    T sum()
    {
        T ret=0;
        for (int i=0;i<N;++i)
        {
            for (int j=0;j<N;++j)
            {
                ret+=d[i][j];
            }
        }
        return ret;
    }
    T fill(T x)
    {
    for (int i=0;i<N;++i)
    {
        for (int j=0;j<N;++j)
            {
                d[i][j]=x;
            }
        }
    }
};
Matrix <double, 3> M;
int main()
{
    M.fill(0.1);
    M.d[1][2]+=4.5;
    printf("%lf\n",M.sum());
    return 0;
}

这个例子中,你会发现模版不一定只接收类型,也可以接收一个变量作为模版参数,而这些参数,可以在声明类的实例的时候使用。至于用法,却简单得让人难以置信。类模版使用的时候需要显式声明模版的参数,这大概是类模版和函数模版最大的区别。因为函数模版的用途只是被调用,而类模版是用来自动构造一些类的,而构造需要必要的参数。实质的实现和函数模版一样,类模版也是按需要编译出一堆东西。我们可以看到,C++模版的本质实际上就是一个复杂而安全的宏语法,它大大扩展了C语言里面简陋的#define,成为一个安全而高效的工具。

现在我们来看第三个例子,也是C++当中最让人叹为观止的例子,这个例子给我们展示了利用模版进行一定程度的函数式编程的方法。

#include <iostream>
using namespace std;

//这里构造了一个函数对象类Plusa
template <typename T>
class Plusa
    {
    private:
        T a;
public:
    Plusa(T d)
    {
        this->a=d;
    }
    void operator() (T& x)
    {
        x+=a;
    }
};  
/* perform (l, r ,a[], f)
* 对数组a的l到r施用函数对象f
*/
template <typename T, typename FUNCT>
void perform (int l, int r, T a[], FUNCT f)
{
    for (int i=l;i<r;++i)
    {
        f(a[i]);
    }
}     
int main()
{
    double t[4]={ -0.2, 1.0, 1.2, 1.6 };
    //函数对象plus_half
    Plusa <double> plus_half(0.5);
    perform(0,3,t,plus_half);
    for (int i=0;i<4;++i)
    {
        cout << t[i] <<endl;
    }
    return 0;
}

这个例子中有一个额外的语法:函数对象。如果一个对象,它的()运算符被重载,他就变成了一个函数对象,可以当作函数来调用。如果调用它,它和函数看上去一模一样,但事实上它是个对象,所以它可以被轻易地传递,而且可以像Javascript的闭包那样秘密地储藏一些信息。

有了函数对象,我们可以再写一个模版,接受函数对象并使用函数对象,就像例子中的perform函数。函数指针这样复杂的东西,在C++当中可以轻易地被函数对象取代。基本上STL中所有的有比较功能的模版,全都接收函数对象,足见这个功能被应用的广泛程度。

以上只是一些简单的例子,实际上C++的模版远远不止这么点内容,完全去深入的研究,够写一本书,而且也有这样一本书了:《C++ Templates》。最后,希望大家喜欢C++这门优美的编程语言。