C++程序设计第13章 模板教学课件.ppt

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1、C+程序设计第13章 模板教学课件C+程序设计标准课件第十四章 模板http:/ 本章内容提要 一、类模板 二、类模板实例化与定做 三、模板的多态 四、高级编程3http:/ 三、模板的多态 二、类模板实例化与定做一、类模板 四、高级编程13.1 类模板4http:/ 13.1.1 什么是类模板 在讲解类模板之前，先回顾一下什么是函数模板：函数模板是一种参数化了的通用算法逻辑，其目的是用相同的逻辑功能处理不同的数据类型，从而避免了相同逻辑的无意义重复，减少了代码量。类模板也是基于这样的考虑而产生的：类模板也对数据的类型进行了参数化处理。在使用过程中提供数据的具体类型，就可以得到一个实在的、可定

2、义不同类型对象的类。例如，可以设计一个表示栈的类模板。template /定义类模板，接受类型参数Tclass Stackpublic:void push(T e);/压入T类型的元素 T pop();/弹出元素private:enumsize=100;/栈的初始容量 T m_arraysize;/保存元素的T类型的数组 int m_count;/元素个数;5http:/ 13.1.1 什么是类模板 这样定义了一个类模板以后，当需要一个处理指定类型元素的Stack类时，只要用该类型实例化Stack模板即可，如下所示。Stack i;/声明一个可以处理int型数据的栈对象 Stack d;/声明

3、一个可以处理double型数据的栈对象Stack s;/声明一个可以处理string型数据的栈对象 与调用函数模板形成对比，使用类模板时，必须为模板形参显式指定实参。编译器使用实参来实例化这个类的特定类型版本。实质上，编译器用用户提供的实际特定类型代替T，重新编写Stack类。在这个例子中，编译器将实例化3个Stack类：第一个用int代替T，第二个用double代替T，第三个用string代替T。使用类模板的主要有以下几个优点。（1）一个类模板可以处理不同类型的数据。（2）提高程序开发效率，不需要为不同的类型编写相同的逻辑。6http:/ 13.1.2 类模板的语法 类模板的定义如下所示。t

4、emplate class 类模板名 类体;值得注意的是，类模板最后的“；”不能丢掉。类模板的模板形参也分为类型形参和非类型形参两种。在类模板成员的定义中，可以在任何可以使用类型名字的地方使用模板参数。从类模板定义的语法中可以看到，除了模板形参表外，类模板的定义看上去与任意其他类相似。类模板可以定义数据成员、成员函数和类型成员，也可以使用访问标号控制对成员的访问，还可以定义构造函数和析构函数等。7http:/ 13.1.2 类模板的语法 例如,可以在类模板的内部和外部定义类模板。其中在类模板内部定义时，其语法与定义普通的成员函数一样。但是在类模板外部定义时，需要声明这个类模板的参数。例如，在类

5、模板Stack外定义pop函数。template class Stackpublic:T pop();/成员函数，弹出元素 .;template /在类模板外部定义类模板的成员函数T stack:pop().8http:/ 13.1.3 模板类和类模板 类模板的重点是模板。表示一种模板，专门用于产生类的模型。类模板通过在类定义上铺设类型参数来表示具有相似操作的系列类。例如：template class Student .;当使用Student模板时，就可以为模板形参T显式指定类型，产生可定义对象的类，如Student、Student、Student 等。模板类的重点是类。一般是指类模板实例化产

6、生的实在的、可定义对象的类。通常通过传递给类模板以类型实参而得到模板类。例如，上述模板类中的Student、Student 等就是类模板。实质上，类模板只是一个模板，而模板类则是模板实例化的结果是真正可以用来声明对象的类。同理，也有函数模板与模板函数之别。函数模板属于模板，是一个函数系列，而模板函数则是普通函数的一种。函数模板实例即为模板函数。9http:/ 13.1.4 模板值参数 模板形参分为类型参数和值参数（即非类型参数），模板形参可以是类型参数或值参数的一种，也可以是既包含类型参数，又包含值参数的一个参数列表。在类模板定义过程中，值参数通常作为常量使用。而类模板值参数的声明形式同函数模

7、板值参数的声明一致。例如：/定义一个表示各种类型数据求和的数组类模板template /定义类模板，接受类型参数T和值参数sizeclass Array /Array为类模板名public:T sum()/成员函数，求数组元素之和 T sum;/用类型参数定义临时变量 for(int i=0;isize;i+)/遍历数组求和 sum+=aryi;return sum;/返回元素的和 private:T ary size;/内置数组，用类型参数和值参数定义;10http:/ 13.1.5、默认模板实参 C+语言规定，在定义类模板时，可以设定模板形参的默认值，即可以像设定函数默认实参（4.3.5）

8、那样给模板形参（包括类型参数和非类型参数）设定默认实参，其语法同设定函数的默认实参相同。例如：template class Array .;在类模板定义中设定了模板形参的默认实参后，当实例化一个类模板Array时，就可以使用设定的默认实参，而不必再显示指定该模板形参的实参。例如：Array ary1;Array ary2;Array ary3;上述3种声明方式都是可行的。11http:/ 13.1.6、到基类的转换 当一个类模板的某个实例有派生类时，该模板可以作为函数模板的函数参数。只是在这种情况下使用该函数模板时，传递的参数有可能是类模板派生类的对象，而不仅仅是其基类的对象。例如，现有如下类

9、模板。Template /定义类模板，模板形参为Tclass Base .;假定该类模板存在如下的派生类模板：Template class Derived:public Base/类模板Derived，派生自Base .;如果存在下面的函数模板：Template /定义函数模板，模板形参为Tvoid fun(Base obj)/模板fun的函数形参为类模板Base某个实例的对象.由于在进行函数模板实参推演时，允许派生类到基类的转换，所以在使用函数模板fun时，传递的函数实参不必一定是Base的某个实例的对象，也可以是Derived的某个实例的对象，如Derived i_obj、Derived

10、d_obj等。12http:/ 三、模板的多态一、类模板 二、类模板实例化与定做 四、高级编程13.2 类模板实例化与定做13http:/ 13.2.1 类模板的实例化 根据类型创建对象的过程称为类型的实例化。根据模板创建类型定义或函数定义的过程称为模板的实例化。类模板的实例化就是用指定的具体模板实参，替换模板形参的过程。类模板实例化后，产生出模板类，或称类模板实例。由于被激活的实例化有滞后的缺点：只实例化类模板的定义部分，而不将其成员函数的定义部分一起实例如，书中【例13-2】中main函数的开头可以通过增加一条显示实例化语句来实现在实例化类模板定义的同时，实例化类模板中的所有成员函数。in

11、t main()template Stack;/引入template语句 Stack ie;.例化，直到后面首次遇到模板类成员函数调用时，才迫不得已进行类模板的成员函数的实例化。所以，类模板成员函数的实例化是被单独激活的。鉴于这种情况，可以通过显示实例化的方式获得模板类。显示实例化克服了滞后的缺点，它会立刻将所有类模板的成员函数都实例化成对应的模板成员函数。显示实例化通过引入一个template来获得。14http:/ 13.2.2 类模板的定做模板定做。类模板的模板实参通过实例化，就构成了模板的实例，它是定义好了的模板类。如果不想用预定义的类模板来生成模板类，而是以该类模板名自己专门重写一个

12、模板类，则会得到模板铸件（又称特化）。得到模板铸件的过程，称为模板定做。定做分为全局定做和局部定做。全局定做。模板定做时，必须以template 开始，然后在class后面跟类模板名，即定义需要定做的类。定做时，template后面的尖括号中是不需要任何参数的。同时，要在类声明的后面写下指定的具体类型。此外，一定要先声明基本类模板，否则会有编译错误。局部定做。模板不一定要全部定做，即不一定非要将类模板定做成普通类。如果一个类模板的类型参数多于一个，而定做其中一部分类型参数为确定的类型，则称为局部定做。15http:/ 二、类模板实例化与定做一、类模板 三、模板的多态 四、高级编程13.3 模板

13、的多态16http:/ 13.3.1使用继承和虚函数来实现多态使用继承和虚函数实现多态的大致过程如下。识别抽象概念在抽象基类中将共有方法声明为虚函数。在给个派生类中实现这些共有方法动态多态存在如下几个问题。增加了复杂度（有层层继承）增加了代码大小和运行时间降低了程序的灵活性不能提前检查类型的安全性（如向容器插入错误类型的对象）17http:/ 13.3.2 使用模板来实现多态静态多态的特点：通过模板实现（宏也是实现静多态的一种途径），接口没有预先确定而只是隐式规定，是静态的（编译期绑定接口）。静态多态相对于动态多态有以下优势：不必在基类中声明公共接口。生成代码效率高（无须通过指针的间接调用）。

14、类型在编译期进行检查，有更好的类型安全性。耦合性低，各个类相互独立，提高了重用性。如果说动态多态是通过虚函数来表达共同接口的话，那么静态多态则是通过“彼此单独定义，却支持共同操作的具体类”来表达共同性。如果使用模板来实现多态，则不用在基类中声明共有的方法，但是需要在程序中隐式声明它们。动态多态的特点：通过继承实现，接口预先在基类中确定，是动态的（运行期绑定接口）。动态多态相对于静态多态有以下优势可执行程序的代码相对较少。可以完全编译而不需要公布源码。18http:/ 二、实例化与定做一、类模板 四、高级编程三、模板的多态13.4 高级编程19http:/ 13.4.1 动态多态设计模式 我们知

15、道，C+语言只是通过继承机制与虚函数的结合运用来支持多态。这种背景下的多态设计思想是：对于相关的对象类型，确定它们之间的一个共同功能集，然后在基类中，把这些共同的功能声明为多个公共的虚函数接口。我们将这种处理方式称为动多态设计模式。下面以几何对象的设计为例进行介绍。对各种几何对象（圆、矩形、直线等），都有一些共同的操作，如画出几何对象、找出几何对象的距离等。把这些接口抽象成虚函数放在抽象基类GeoObj中，具体的几何对象类则继承这个抽象基类。程序主要代码如下。/几何对象的公共抽象基类class GeoObjpublic:virtual void draw()const=0;/画出几何对象vir

16、tual Coord center_of_gravity()const=0;/返回几何对象的重心（center of gravity）;20http:/ 13.4.1 动态多态设计模式/具体的几何对象类：圆class Circle:public GeoObjpublic:virtual void draw()const;virtual Coord center_of_gravity()const;.;/具体的几何对象类：Lineclass Line:public GeoObjpublic:virtual void draw()const;virtual Coord center_of_grav

17、ity()const;.;21http:/ 13.4.1 动态多态设计模式 各个子类重写基类中的虚函数，以完成具体的功能。建立具体对象之后，客户端程序代码通过指向基类的引用或指针来操作这些对象，对虚函数的调用会自动绑定到实际提供的子类对象上。就本例而言，针对几何对象的设计的具体程序代码大致描述如下。/客户端程序代码void myDraw(GeoObj const&obj)/画任意一个GeoObj对象obj.draw();/根据对象类型来调用对应的draw()/计算两个GeoObj对象的重心之间的距离Coord distance(GeoObj const&x1,GeoObj const&x2)C

18、oord c=x1.center_of_gravity()-x2.center_of_gravity();return c.abs();/返回坐标的绝对值22http:/ 13.4.1 动态多态设计模式/画出属于异类集合的GeoObj对象void drawElems(std:vector const&elems)for(unsigned i=0;idraw();/根据元素类型来调用相应的draw()int main()Line l;Circle c,c1,c2;myDraw(l);myDraw(c);distance(c1,c2);/调用distance(GeoObj&,GeoObj&)dis

19、tance(l,c);/调用distance(GeoObj&,GeoObj&)std:vector coll;/元素类型互异的集合23http:/ 13.4.1 动态多态设计模式 coll.push_back(&l);/插入一条直线coll.push_back(&c);/插入一个圆drawElems(coll);/画不同种类的GeoObj对象return 0;上述程序的关键性多型接口元素是两个虚函数draw和ceter_of_gravity。程序分别演示了它们在函数myDraw、distance和drawElems内被使用的情况。在程序执行期，会取得调用虚拟函数对象的完整动态类型，以便对调用语

20、句进行分派。于是，根据几何对象的实际类型，程序得以完成适当操作：如果对一个Line对象调用myDraw函数，函数内的obj.draw()就调用Line:draw()；对Circle对象调用的则是Circle:draw()。同理，对distance函数而言，调用的将是与自变量对象相应的center_of_gravity。24http:/ 13.4.2 静态多态设计模式 如今C+语言就也可以通过模板来实现多态，这种基于模板的实现方式叫做静态多态设计模式。用模板来实现多态并不依赖于分解及抽取基类的共通行为。其设计思想为：在彼此相关的对象类型之间，用模板来实现多态并不依赖于分解及抽取基类的共通行为。其

21、设计思想为：在彼此相关的对象类型之间，直接实现它们各自的定义，不需要基类。只是在具体类的实现中，有相同功能的接口名要相同（这需要隐式地规定）。客户端把操作这些对象的函数定义为模板，需要操作什么类型的对象，直接对模板指定该类型实参或通过实参演绎获得。与动态多态相比，其优势在于：无须定义基类，没有公共接口，无须通过指针的间接调用，各个类相互独立，提高了重用性。然而，静态多态的静态性质又有其自身的限制：所有类型都必须在编译器决定。25http:/ 13.4.3 泛型编程把类型看成是一类事物，则以类型为参数的模板编程便可以看做是适用于各类事物的通用编程。然而从技术上来说，模板编程涉及类型参数，因此，模板编程可以看做是广泛适用于各种类型的编程，即泛型编程。泛型编程适合找出高效算法数据结构其他软件概念等的抽像描述模板编程就是泛型编程目前，泛型编程领域中最大的贡献是STL（standard template library，后被编入C+标准程式库内）。26