详解C++编程中类模板的相关使用知识

有时，有两个或多个类，其功能是相同的，仅仅是数据类型不同，如下面语句声明了一个类：

class Compare_int
{
public :
  Compare(int a,int b)
  {
   x=a;
   y=b;
  }
  int max( )
  {
   return (x>y)?x:y;
  }
  int min( )
  {
   return (x<y)?x:y;
  }
private :
  int x,y;
};

其作用是对两个整数作比较，可以通过调用成员函数max和min得到两个整数中的大者和小者。

如果想对两个浮点数(float型)作比较，需要另外声明一个类：

class Compare_float
{
public :
  Compare(float a,float b)
  {
   x=a;y=b;
  }
  float max( )
  {
   return (x>y)?x:y;
  }
  float min( )
  {
   return (x<y)?x:y;
  }
private :
  float x,y;
}

显然这基本上是重复性的工作，应该有办法减少重复的工作。

C++在发展的后期增加了模板(template )的功能，提供了解决这类问题的途径。可以声明一个通用的类模板，它可以有一个或多个虚拟的类型参数，如对以上两个类可以综合写出以下的类模板：

template <class numtype> //声明一个模板，虚拟类型名为numtype
class Compare //类模板名为Compare
{
public :
  Compare(numtype a,numtype b)
  {
   x=a;y=b;
  }
  numtype max( )
  {
   return (x>y)?x:y;
  }
  numtype min( )
  {
   return (x<y)?x:y;
  }
private :
  numtype x,y;
};

请将此类模板和前面第一个Compare_int类作一比较，可以看到有两处不同。

1) 声明类模板时要增加一行

  template <class 类型参数名>

template意思是“模板”，是声明类模板时必须写的关键字。在template后面的尖括号内的内容为模板的参数表列，关键字class表示其后面的是类型参数。在本例中numtype就是一个类型参数名。这个名宇是可以任意取的，只要是合法的标识符即可。这里取numtype只是表示“数据类型”的意思而已。此时，mimtype并不是一个已存在的实际类型名，它只是一个虚拟类型参数名。在以后将被一个实际的类型名取代。

2) 原有的类型名int换成虚拟类型参数名numtype。
在建立类对象时，如果将实际类型指定为int型，编译系统就会用int取代所有的numtype，如果指定为float型，就用float取代所有的numtype。这样就能实现“一类多用”。

由于类模板包含类型参数，因此又称为参数化的类。如果说类是对象的抽象，对象是类的实例，则类模板是类的抽象，类是类模板的实例。利用类模板可以建立含各种数据类型的类。

那么，在声明了一个类模板后，怎样使用它呢？怎样使它变成一个实际的类？

先回顾一下用类来定义对象的方法：

  Compare_int cmp1(4,7); // Compare_int是已声明的类

其作用是建立一个Compare_int类的对象，并将实参4和7分别赋给形参a和b，作为进 行比较的两个整数。

用类模板定义对象的方法与此相似，但是不能直接写成

  Compare cmp(4,7); // Compare是类模板名

Compare是类模板名，而不是一个具体的类，类模板体中的类型numtype并不是一个实际的类型，只是一个虚拟的类型，无法用它去定义对象。必须用实际类型名去取代虚拟的类型，具体的做法是：

  Compare <int> cmp(4,7);

即在类模板名之后在尖括号内指定实际的类型名，在进行编译时，编译系统就用int取代类模板中的类型参数numtype，这样就把类模板具体化了，或者说实例化了。这时Compare<int>就相当于前面介绍的Compare_int类。

[例] 声明一个类模板，利用它分别实现两个整数、浮点数和字符的比较，求出大数和小数。

#include <iostream>
using namespace std;
template <class numtype>
//定义类模板
class Compare
{
  public :
  Compare(numtype a,numtype b)
  {x=a;y=b;}
  numtype max( )
  {return (x>y)?x:y;}
  numtype min( )
  {return (x<y)?x:y;}
  private :
  numtype x,y;
};
int main( )
{
  Compare<int > cmp1(3,7); //定义对象cmp1，用于两个整数的比较
  cout<<cmp1.max( )<<" is the Maximum of two integer numbers."<<endl;
  cout<<cmp1.min( )<<" is the Minimum of two integer numbers."<<endl<<endl;
  Compare<float > cmp2(45.78,93.6); //定义对象cmp2，用于两个浮点数的比较
  cout<<cmp2.max( )<<" is the Maximum of two float numbers."<<endl;
  cout<<cmp2.min( )<<" is the Minimum of two float numbers."<<endl<<endl;
  Compare<char> cmp3(′a′,′A′); //定义对象cmp3，用于两个字符的比较
  cout<<cmp3.max( )<<" is the Maximum of two characters."<<endl;
  cout<<cmp3.min( )<<" is the Minimum of two characters."<<endl;
  return 0;
}

运行结果如下：

7 is the Maximum of two integers.
3 is the Minimum of two integers.

93.6 is the Maximum of two float numbers.
45.78 is the Minimum of two float numbers.

a is the Maximum of two characters.
A is the Minimum of two characters.

还有一个问题要说明： 上面列出的类模板中的成员函数是在类模板内定义的。如果改为在类模板外定义，不能用一般定义类成员函数的形式：

 numtype Compare::max( ) {…} //不能这样定义类模板中的成员函数

而应当写成类模板的形式：

  template <class numtype>
  numtype Compare<numtype>::max( )
  {
    return (x>y)?x:y;
  }

上面第一行表示是类模板，第二行左端的numtype是虚拟类型名，后面的Compare <numtype>是一个整体，是带参的类。表示所定义的max函数是在类Compare <numtype>的作用域内的。在定义对象时，用户当然要指定实际的类型（如int），进行编译时就会将类模板中的虚拟类型名numtype全部用实际的类型代替。这样Compare <numtype >就相当于一个实际的类。大家可以将例子改写为在类模板外定义各成员 函数。

归纳以上的介绍，可以这样声明和使用类模板：
1) 先写出一个实际的类。由于其语义明确，含义清楚，一般不会出错。

2) 将此类中准备改变的类型名(如int要改变为float或char)改用一个自己指定的虚拟类型名(如上例中的numtype)。

3) 在类声明前面加入一行，格式为：

template <class 虚拟类型参数>

如：

  template <class numtype> //注意本行末尾无分号
  class Compare
  {…}; //类体

4) 用类模板定义对象时用以下形式：

  类模板名<实际类型名> 对象名;
  类模板名<实际类型名> 对象名(实参表列);

如：

  Compare<int> cmp;
  Compare<int> cmp(3,7);

5) 如果在类模板外定义成员函数，应写成类模板形式：

  template <class 虚拟类型参数>

  函数类型 类模板名<虚拟类型参数>::成员函数名(函数形参表列) {…}

关于类模板的几点说明：
1) 类模板的类型参数可以有一个或多个，每个类型前面都必须加class，如：

  template <class T1,class T2>
  class someclass
  {…};

在定义对象时分别代入实际的类型名，如：

  someclass<int,double> obj;

2) 和使用类一样，使用类模板时要注意其作用域，只能在其有效作用域内用它定义对象。

3) 模板可以有层次，一个类模板可以作为基类，派生出派生模板类。有关这方面的知识实际应用较少，本教程暂不作介绍，感兴趣的同学可以自行学习。