C++ 类模板详解(一)：概念和基本使用方式

与函数模板类似地(C++模板详解(一)：函数模板的概念和特性) ，类也可以被一种或多种类型参数化。例如，容器类就是一个具有这种特性的典型例子，它通常被用于管理某种特定类型的元素。只要使用类模板，我们就可以实现容器类，而不需要确定容器中元素的类型。

一、类模板的实现

在这篇博文中，我们使用Stack作为类模板的例子。

(1.1) 类模板的声明

#include <vector>
#include <deque>
#include <stdexcept>

template<typename T>
class Stack
{
	std::vector<T> elems;	// 存储元素的容器。

public:
	void push(const T& value);	// 将元素压入栈中。
	void pop();					// 将栈顶元素弹出栈。
	T top() const;				// 查看栈顶元素的副本。
	bool empty() const {		// 检查栈是否为空。
		return elems.empty();
	}
};

template<typename T>
void Stack<T>::push(const T& value)
{
	elems.push_back(value);
}

template<typename T>
void Stack<T>::pop()
{
	if (elems.empty()) {
		throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
	}
	elems.pop_back();
}

template<typename T>
T Stack<T>::top() const
{
	if (elems.empty()) {
		throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
	}
	return elems.back();
}

如上所示，类模板的声明和函数模板的声明很相似：在声明之前，我们先声明参数类型的标识符

template<typename /*class*/ T>
class Stack
{
	//...
};

当然，也可以使用关键字class来代替typename。在类模板的内部，类型T可以像其它的类型一样，用于声明成员变量和成员函数。在这个例子中，类的类型是Stack<T>，其中T是模板参数。因此，当在声明中需要使用该类的类型时，我们必须要使用Stack<T>。例如，如果要声明自己实现的拷贝构造函数和赋值运算符，那就应该这样来编写：

template<typename T>
class Stack
{
	//...
    Stack(const Stack<T>& other);				// 这里的构造函数名称需要与类名相同(Stack)
    Stack<T>& operator=(const Stack<T>& other);	// 这里的拷贝构造函数需要使用类的类型(Stack<T>)
    //...
};

然而， 当需要使用类名而不是类的类型时，就应该只用Stack。例如，当指定类的名称，或是需要编写构造函数、析构函数时，就需要使用Stack。

(1.2) 类模板的实现

为了定义类模板的成员函数，我们必须要指定该成员函数是一个函数模板(使用template<typename T>)，而且还需要使用这个类模板的完整类型限定运算符Stack<T>::。因此，成员函数push的完整定义如下：

template<typename T>
void Stack<T>::push(const T& value)
{
	elems.push_back(value);
}

其它成员函数的实现也是类似的；和普通类定义相同，完全也可以将成员函数的实现内联地写在类中，例如：

template<typename T>
class Stack
{
    std::vector<T> elems;	// 存储元素的容器。

public:
    // ...
	bool empty() const {		// 检查栈是否为空。
		return elems.empty();
	}
};

二、类模板的使用

参见如下的main函数代码：

int main()
{
	try
	{
		Stack<int> intStack;
		Stack<std::string> stringStack;

		// 使用int栈
		intStack.push(7);
		std::cout << intStack.top() << std::endl;

		// 使用string栈
		stringStack.push("hello");
		std::cout << stringStack.top() << std::endl;

		stringStack.pop();
		stringStack.pop();
	}
	catch (std::exception &ex)
	{
		std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}
	return 0;
}

注意：只有那些被调用了的成员函数，才会产生这些函数的实例化代码。

所以，针对这个类模板，缺省的构造函数、push、top方法都针对int、std::string进行了实例化。然而， pop方法只提供了std::string的实例化。这样做的好处是：

• 可以节省时间和空间。
• 对于那些未能提供所有成员函数中所有操作的类型，也可以使用该类型来实例化类模板。

另一方面，如果类中含有静态成员，那么用来实例化的每种类型，都会实例化这些静态成员。