C++泛型编程Generic Programming的使用

C++泛型编程Generic Programming的使用攻略

什么是泛型编程Generic Programming

泛型编程是一种以通用算法为基础写程序的方式，它在写程序时把算法和数据结构的实现分开，以达到复用代码的目的。C++中泛型编程主要通过模板来实现。

泛型编程的优点

• 可重用性：泛型编程可以复用代码，使用一个函数解决多个问题。
• 可扩展性：当在实现具体算法时，可在不改变泛型算法的情况下增加新的数据类型或算法。
• 安全性：泛型编程的参数类型是由编译器检查的，所以在编译期就可以避免类型错误。

泛型编程的使用

1. 函数模板

函数模板是指一个通用的函数定义，可用于多个数据类型。例如，可以使用以下方式实现交换两个变量的函数：

template <typename T>
void swap(T& x, T& y) {
    T temp = x;
    x = y;
    y = temp;
}

在函数模板定义中，参数通常以 "typename" 或 "class" 关键字开始，后面跟变量名。在函数定义中，就可以用这个参数来声明变量、使用函数等。

例1：使用函数模板实现两个整数或两个浮点数的交换：

#include <iostream>
using namespace std;
template <typename T>
void swap(T& x, T& y) {
    T temp = x;
    x = y;
    y = temp;
}
int main() {
    int a = 3, b = 5;
    float c = 3.5, d = 7.8;
    cout << "交换前：" << a << " " << b << endl;
    swap(a, b);
    cout << "交换后：" << a << " " << b << endl;
    cout << "交换前：" << c << " " << d << endl;
    swap(c, d);
    cout << "交换后：" << c << " " << d << endl;
    return 0;
}

上面的代码定义了一个 swap 函数模板，接收两个参数，并将它们交换。在测试代码(main 函数)中，先使用整数测试了一下，再用浮点数进行了测试。

2. 类模板

类模板是指一个通用的类定义，可用于多种数据类型。例如，可以定义一个能够保存任何类型元素的栈类，代码如下：

template <typename T>
class Stack {
public:
    Stack(int size = 10);
    bool push(const T& val);
    bool pop(T& val);
    bool empty();
    bool full();
private:
    int m_top;
    int m_size;
    T* m_data;
};

在类模板定义中，也使用 "typename" 或 "class" 关键字开始，后面跟参数名。在类定义中，就可以用这个参数来定义成员变量、成员方法等。在模板类中使用类型时，需要在前面加上 "typename" 关键字，以告诉编译器这个名称是一个类型名。

例2：使用类模板定义一个栈，并进行测试：

#include <iostream>
#include "stack.h"
using namespace std;
int main() {
    Stack<int> stack;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        stack.push(i);
    }
    int val;
    while (!stack.empty()) {
        stack.pop(val);
        cout << val << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

上面的代码定义了一个 Stack 类模板，在测试代码(main 函数)中，看起来就像是在使用一个 int 类型的栈。

3. 结构体模板

结构体模板是指一个通用的结构体定义，可用于多种数据类型。例如，可以定义一个二元组结构体，代码如下：

template <typename T1, typename T2>
struct Pair {
    T1 first;
    T2 second;
    Pair() {}
    Pair(T1 a, T2 b) : first(a), second(b) {}
    bool operator < (const Pair<T1, T2>& p) const {
        return first < p.first || (first == p.first && second < p.second);
    }
};

在结构体模板定义中，也使用 "typename" 或 "class" 关键字开始，后面跟参数名。在结构体定义中，就可以用这个参数来定义成员变量等。

例3：使用结构体模板实现一个存储成绩和姓名的二元组。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "pair.h"
using namespace std;
int main() {
    vector<Pair<string, int>> vec;
    vec.push_back(Pair<string, int>("Alice", 95));
    vec.push_back(Pair<string, int>("Bob", 80));
    vec.push_back(Pair<string, int>("Charlie", 70));
    sort(vec.begin(), vec.end());
    for (auto it : vec) {
        cout << it.first << " " << it.second << endl;
    }
    return 0;
}

上面的代码定义了一个 Pair 结构体模板，接收两个参数，并将它们保存在 first 和 second 两个成员变量中。在测试代码(main 函数)中，创建了一个 Pair 类型的数组 vec，并在其中插入三个元素。然后使用 sort() 函数对数组进行排序，并输出每个元素的姓名和成绩。

总结

本文介绍了泛型编程Generic Programming的使用，包括函数模板、类模板和结构体模板等。通过这些模板的使用，可以让代码更加通用，提高代码复用性，同时也可提高代码的安全性和可扩展性。