C++ 类模板详解：从入门到实战
在C++中，类模板是一种强大的工具，它允许我们编写通用的类，使得类的成员数据类型可以在使用时指定。类模板的使用可以大大提高代码的复用性和灵活性。本文将详细介绍类模板的语法、使用场景、注意事项，并通过一个实战案例来帮助大家更好地理解和掌握类模板。
引言——类模板的基本语法
1 类模板的定义
类模板的作用是建立一个通用类，类中的成员数据类型可以不具体指定，而是用一个虚拟的类型来代表。类模板的定义语法如下：
template<typename T>
class 类名 {// 类的成员
};解释：
-
template：声明创建模板。 -
typename：表示后面的符号是一种数据类型，可以用class代替。 -
T：通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>// 类模板
template<class NameType, class AgeType>
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout<<"name:"<<this->m_Name<<" age:"<<this->m_Age<<endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};void test01()
{Person<string,int> p1("奥特曼", 20);p1.showPerson();}
int main()
{test01();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，Person类模板可以接受不同的数据类型作为成员变量mName和mAge的类型。通过指定NameType和AgeType的具体类型，我们可以创建不同类型的Person对象。
总结：类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板。
2 类模板与函数模板区别
类模板与函数模板在使用上有一些区别，主要体现在以下两点：
-
类模板没有自动类型推导：在使用类模板时，必须显式指定模板参数的类型，而不能像函数模板那样通过参数自动推导类型。
-
类模板可以有默认参数：类模板在模板参数列表中可以有默认参数，而函数模板则没有。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>// 类模板与函数模板区别// 类模板
template<class NameType, class AgeType = int> // 模板参数列表中
class Person
{
public:Person(NameType name, AgeType age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout<<"name:"<<this->m_Name<<" age:"<<this->m_Age<<endl;}NameType m_Name;AgeType m_Age;
};// 1、类模板没有自动类型推导使用方式
void test01()
{// Person p1("奥特曼", 20); 错误，不能用自动类型推导Person<string,int> p1("奥特曼", 20); // 只能用显示指定类型p1.showPerson();
}// 2、类模板在模板参数列表中可以有默认参数
void test02()
{Person<string> p1("怪兽", 21);p1.showPerson();
}int main()
{test01();test02();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，Person类模板的AgeType参数有一个默认值int，因此在test02中我们可以只指定NameType，而AgeType会使用默认的int类型。
总结：
- 类模板使用只能用显示指定类型方式
- 类模板中的模板参数列表可以有默认参数
3 类模板中成员函数创建时机
类模板中的成员函数和普通类中的成员函数创建时机有所不同：
-
普通类中的成员函数：在类定义时就已经创建。
-
类模板中的成员函数：在调用时才创建。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;// 类模板中成员函数创建时机
// 类模板中成员函数在调用时才去创建
class Person1
{
public:void showPerson1(){cout<<"Person1 show"<<endl;}
};class Person2
{
public:void showPerson2(){cout<<"Person2 show"<<endl;}
};template<class T>
class MyClass
{
public:T obj;// 类模板中的成员函数, 并不是一开始就创建的，而是在模板调用时再生成void func1(){obj.showPerson1();}void func2(){obj.showPerson2();}};void test01()
{MyClass<Person2>m;// m.func1(); 编译会错，说明函数调用才会去创建成员函数m.func2();
}
int main()
{test01();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，MyClass类模板中的成员函数fun1和fun2在调用时才创建。因此，如果调用了一个不存在的成员函数，编译器会在调用时报错。
总结：类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建。
4 类模板对象做函数参数
类模板实例化出的对象可以作为函数参数传递。传递方式主要有三种：
-
指定传入的类型：直接显示对象的数据类型。
-
参数模板化：将对象中的参数变为模板进行传递。
-
整个类模板化：将整个对象类型模板化进行传递。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>// 类模板对象做函数参数template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}void showPerson(){cout<<"name:"<<this->m_Name<<" age:"<<this->m_Age<<endl;}T1 m_Name;T2 m_Age;
};// 1、指定传入类型 最常用
void printPerson1(Person<string,int> &p)
{p.showPerson();
}
void test01()
{Person<string,int>p("奥特曼", 24);printPerson1(p);
}// 2、参数模块化
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>&p)
{p.showPerson();cout<<"T1的数据类型为："<<typeid(T1).name()<<endl;cout<<"T2的数据类型为："<<typeid(T2).name()<<endl;
}
void test02()
{Person<string,int>p("怪兽", 60);printPerson2(p);
}// 3、整个类模板化
template<class T>
void printPerson3(T &p)
{p.showPerson();cout<<"T的数据类型为："<<typeid(T).name()<<endl;
}void test03()
{Person<string,int>p("奥特之王", 1000);printPerson3(p);
}int main()
{test01();test02();test03();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，我们展示了三种不同的方式将类模板对象作为函数参数传递。第一种方式是最常用的，直接指定传入的类型。
总结：
- 通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参
- 使用比较广泛是第一种：指定传入的类型
5 类模板与继承
当类模板碰到继承时，需要注意以下几点：
-
如果子类继承的父类是一个类模板，子类在声明时必须指定父类中模板参数的类型。
-
如果不指定，编译器无法给子类分配内存。
-
如果想灵活指定父类中模板参数的类型，子类也需要变为类模板。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;// 类模板与继承
template<class T>
class Base
{T m;
};// class Son:public Base //错误的，必须要知道父类中的T类型，才能继承给子类
class Son:public Base<int>
{};void test01()
{Son s1;
}// 2、如果想灵活指定父类中T类型，子类也需要变类模板
template<class T1, class T2>
class Son2:public Base<T2>
{
public:Son2(){cout<<"T1的类型为"<<typeid(T1).name()<<endl;cout<<"T2的类型为"<<typeid(T2).name()<<endl;}T1 obj;
};void test02()
{Son2<int, char>s2;
}int main()
{test01();test02();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，Son类继承了一个类模板Base，并且必须指定Base中模板参数的类型。Son2类模板则可以灵活指定父类中模板参数的类型。
总结：如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型
6 类模板成员函数类外实现
类模板的成员函数可以在类外实现，但需要注意在类外实现时需要加上模板参数列表。
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>// 类模板成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
class Person
{
public:Person(T1 name, T2 age);// {// this->m_Name = name;// this->m_Age = age;// }void showPerson();// {// cout<<"name:"<<this->m_Name<<" age:"<<this->m_Age<<endl;// }T1 m_Name;T2 m_Age;
};// 构造函数的类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1,T2>::Person(T1 name, T2 age)
{this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}// 成员函数的类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1,T2>::showPerson()
{cout<<"name:"<<this->m_Name<<" age:"<<this->m_Age<<endl;
}void test01()
{Person<string,int>p1("奥特曼", 88);p1.showPerson();
}
int main()
{test01();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，Person类模板的构造函数和成员函数showPerson都在类外实现，并且在实现时需要加上模板参数列表。
7 类模板分文件编写
类模板的成员函数在调用时才创建，因此在分文件编写时需要注意链接问题。常见的解决方式有两种：
-
直接包含
.cpp源文件。 -
将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为
.hpp。
person.hpp中代码：
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string>template<class T1, class T2>
class Person {
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();public:T1 m_Name;T2 m_Age;
};// 构造函数类外实现
template<class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age) {this->m_Name = name;this->m_Age = age;
}// 成员函数类外实现
template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson() {cout << "姓名: " << this->m_Name << " 年龄:" << this->m_Age << endl;
}类模板分文件编写.cpp中代码：
#include <iostream>
using namespace std;// 解决方式1：包含cpp源文件
// #include "person.cpp"// 解决方式2：将声明和实现写到一起，文件后缀名改为.hpp
#include "person.hpp"void test01() {Person<string, int> p("Tom", 10);p.showPerson();
}int main() {test01();return 0;
}分析：在这个示例中，我们将类模板的声明和实现都写在了person.hpp文件中，这样可以避免链接问题。
总结：主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp。
8 类模板与友元
类模板可以与友元函数结合使用，友元函数可以在类内或类外实现。
- 全局函数类内实现时，直接在类内声明友元即可
- 全局函数类外实现时，需要提前让编译器知道全局函数的存在
代码案例如下：
#include<iostream>
using namespace std;// 通过全局函数 打印Person信息// 提前让编译器提前知道Person类的存在
template<class T1, class T2>
class Person;// 类外实现
template<class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2> p)
{cout<<"类外实现 name:"<<p.m_Name<<" age:"<<p.m_Age<<endl;
}template<class T1, class T2>
class Person
{// 全局函数 类内实现friend void printPerson1(Person<T1,T2> p){cout<<"name:"<<p.m_Name<<" age:"<<p.m_Age<<endl;}// 全局函数 类外实现// 加空模板参数列表// 如果全局函数 是类外实现，需要让编译器提前知道这个函数的存在friend void printPerson2<>(Person<T1,T2> p);
public:Person(T1 name, T2 age){this->m_Name = name;this->m_Age = age;}private:T1 m_Name;T2 m_Age;
};// 1、全局函数在类内实现
void test01()
{Person<string,int>p("奥特曼", 200);printPerson1(p);
}// 2、全局函数在类外实现
void test02()
{Person<string,int>p("怪兽", 200);printPerson2(p);
}int main()
{test01();test02();system("pause");return 0;
}分析：在这个示例中，printPerson函数在类内实现，而printPerson2函数在类外实现。类外实现时，需要提前声明函数模板。
总结：建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别。
