C++函數模板與類模板執行個體解析_C 語言

本文針對C++函數模板與類模板進行了較為詳盡的執行個體解析，有助於協助讀者加深對C++函數模板與類模板的理解。具體內容如下：

泛型程式設計（Generic Programming）是一種編程範式，通過將型別參數化來實現在同一份代碼上操作多種資料類型，泛型是一般化並可重複使用的意思。泛型程式設計最初誕生於C++中，目的是為了實現C++的STL（標準模板庫）。

模板（template）是泛型程式設計的基礎，一個模板就是一個建立類或函數的藍圖或公式。例如，當使用一個vector這樣的泛型型別或者find這樣的泛型函數時，我們提供足夠的資訊，將藍圖轉換為特定的類或函數。

一、函數模板

一個通用的函數模板（function template）就是一個公式，可用來產生針對特定類型或特定值的函數版本。模板定義以關鍵字template開始，後面跟一個模板參數列表，列表中的多個模板參數（template parameter）以逗號分隔。模板參數表示在類或函數定義中用到的類型或值。

1、型別參數

一個模板型別參數（type parameter）表示的是一種類型。我們可以將型別參數看作類型說明符，就像內建類型或類類型說明符一樣使用。型別參數前必須使用關鍵字class 或typename：

template <typename T> // typename和class一樣的 T function(T* p) {   T tmp = *p;  // 臨時變數類型為T   //...   return tmp;  // 傳回值類型為T } 

關鍵字typename和class是一樣的作用，但顯然typename比class更為直觀，它更清楚地指出隨後的名字是一個類型名。

編譯器用模板類型實參為我們執行個體化（instantiate）特定版本的函數，一個版本稱做模板的一個執行個體（instantiation）。當我們調用一個函數模板時，編譯器通常用函數實參來為我們推斷模板實參。當然如果函數沒有模板類型的參數，則我們需要特別指出來：

int a = 10; cout << function(&a) << endl;   // 編譯器根據函數實參推斷模板實參  cout << function<int>(&a) << endl;  // <int>指出模板參數為int 

2、非型別參數

在模板中還可以定義非型別參數（nontype parameter），一個非型別參數表示一個值而非一個類型。我們通過一個特定的類型名而非關鍵字class或typename來指定非型別參數：

// 整形模板 template<unsigned M, unsigned N> void add() {   cout<< M+N << endl; }  // 指標 template<const char* C> void func1(const char* str) {   cout << C << " " << str << endl; }  // 引用 template<char (&R)[9]> void func2(const char* str) {   cout << R << " " << str << endl; }  // 函數指標 template<void (*f)(const char*)> void func3(const char* c) {   f(c); }  void print(const char* c) { cout << c << endl;}  char arr[9] = "template";  // 全域變數，具有靜態生存期  int main() {   add<10, 20>();   func1<arr>("pointer");   func2<arr>("reference");   func3<print>("template function pointer");   return 0; } 

當執行個體化時，非型別參數被一個使用者提供的或編譯器推斷出的值所替代。一個非型別參數可以是一個整型，或者是一個指向對象或函數的指標或引用：綁定到整形（非型別參數）的實參必須是一個常量運算式，綁定到指標或引用（非型別參數）的實參必須具有靜態生存期（比如全域變數），不能把普通局部變數 或動態對象綁定到指標或引用的非類型形參。

二、類模板

相應的，類模板（class template）是用來產生類的藍圖。與函數模板的不同之處是，編譯器不能為類模板推斷模板參數類型，所以我們必須顯式的提供模板實參。與函數模板一樣，類模板參數可以是型別參數，也可以是非型別參數，這裡就不再贅述了。

template<typename T> class Array { public:   Array(T arr[], int s);   void print(); private:   T *ptr;   int size; };  // 類模板外部定義成員函數 template<typename T> 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> void Array<T>::print() {   for(int i=0; i<size; ++i)     cout << " " << *(ptr+i);   cout << endl; }  int main() {   char a[5] = {'J','a','m','e','s'};   Array<char> charArr(a, 5);   charArr.print();    int b[5] = { 1, 2, 3, 4, 5};   Array<int> intArr(b, 5);   intArr.print();    return 0; }

類模板的成員函數

與其他類一樣，我們既可以在類模板內部，也可以在類模板外部定義其成員函數。定義在類模板之外的成員函數必須以關鍵字template開始，後接類模板參數列表。

template <typename T> return_type class_name<T>::member_name(parm-list) { } 

預設情況下，對於一個執行個體化了的類模板，其成員函數只有在使用時才被執行個體化。如果一個成員函數沒有被使用，則它不會被執行個體化。

類模板和友元

當一個類包含一個友元聲明時，類與友元各自是否是模板是相互無關的。如果一個類模板包含一個非模板的友元，則友元被授權可以訪問所有模板的執行個體。如果友元自身是模板，類可以授權給所有友元模板的執行個體，也可以只授權給特定執行個體。

// 前置聲明，在將模板的一個特定執行個體聲明為友元時要用到 template<typename T> class Pal;  // 普通類 class C {   friend class Pal<C>; // 用類C執行個體化的Pal是C的一個友元   template<typename T> friend class Pal2; //Pal2所有執行個體都是C的友元;無須前置聲明 };  // 模板類 template<typename T> class C2 {   // C2的每個執行個體將用相同類型執行個體化的Pal聲明為友元,一對一關聯性   friend class Pal<T>;   // Pal2的所有執行個體都是C2的每個執行個體的友元，不需要前置聲明   template<typename X> friend class Pal2;    // Pal3是普通非模板類，它是C2所有執行個體的友元   friend class Pal3; }; 

類模板的static成員

類模板可以聲明static成員。類模板的每一個執行個體都有其自己專屬的static成員對象，對於給定的類型X，所有class_name<X>類型的對象共用相同的一份static成員執行個體。

template<typename T> class Foo { public:   void print();   //...其他動作 private:   static int i; };  template<typename T> void Foo<T>::print() {   cout << ++i << endl; }  template<typename T> int Foo<T>::i = 10; // 初始化為10  int main() {   Foo<int> f1;   Foo<int> f2;   Foo<float> f3;   f1.print();  // 輸出11   f2.print();  // 輸出12   f3.print();  // 輸出11   return 0; }

我們可以通過類類型對象來訪問一個類模板的static對象，也可以使用範圍運算子（::）直接存取靜態成員。類似模板類的其他成員函數，一個static成員函數也只有在使用時才會執行個體化。