C++ 模板详解(二)：类模板的概念和基本使用方式

与函数模板相似地(C++模板详解(一)：函数模板的概念和特性) ，类也能够被一种或多种类型参数化。例如，容器类就是一个具备这种特性的典型例子，它一般被用于管理某种特定类型的元素。只要使用类模板，咱们就能够实现容器类，而不须要肯定容器中元素的类型。

1、类模板的实现

在这篇博文中，咱们使用Stack做为类模板的例子。

(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类似：在声明以前，咱们先声明参数类型的标识符

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

固然，也可使用关键字class来代替typename。在类模板的内部，类型T能够像其它的类型同样，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。所以，当在声明中须要使用该类的类型时，咱们必需要使用Stack<T>。例如，若是要声明本身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须要与类名相同(Stack)
    Stack<T>& operator=(const Stack<T>& other); // 这里的拷贝构造函数须要使用类的类型(Stack<T>)
    //...
};

然而， 当须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，或是须要编写构造函数、析构函数时，就须要使用Stack。

(1.2) 类模板的实现

为了定义类模板的成员函数，咱们必需要指定该成员函数是一个函数模板(使用template<typename T>)，并且还须要使用这个类模板的完整类型限定运算符Stack<T>::。所以，成员函数push的完整定义以下：

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相似的；和普通类定义相同，彻底也能够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();
    }
};

2、类模板的使用

参见以下的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。

因此，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。这样作的好处是：

• 能够节省时间和空间。
• 对于那些未能提供全部成员函数中全部操做的类型，也可使用该类型来实例化类模板。

另外一方面，若是类中含有静态成员，那么用来实例化的每种类型，都会实例化这些静态成员。