C++的泛型编程

目录

1、模板

1.1、函数模板

1.2、类模板

1.3、模板类型形参

1.4、非模板类型参数

1.5、默认模板类型参数

1.6、友元模板函数

2、转换函数

转换函数的用途

示例

使用转换函数

注意事项

 转换函数的优点和缺点

结论

3、智能指针

4、STL

数据结构

4.1、序列容器 (Sequence Containers): 元素按照顺序存储，可以通过索引访问。

4.2、关联容器(Associative Containers): 元素按照键值对存储，可以通过键快速查找元素。

4.3、配器  (Adapters): 容器适配器是对现有容器的包装，提供了不同的接口。

算法

迭代器 

函数对象

C++ 的泛型编程主要通过模板（template）实现。模板允许编写能够处理多种数据类型的代码，而无需为每种数据类型编写单独的函数或类。 这通过参数化类型来实现，编译器会在编译时根据实际使用的类型生成具体的代码。

1、模板

1.1、函数模板

函数模板是 C++ 中的一种泛型编程机制，允许编写可以处理不同数据类型的函数。函数模板使用 template <typename T> (或 template <class T>) 声明类型参数 T，然后在函数体中使用 T 就像使用普通类型一样。

例如：

template <typename T>
T max(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}

这个函数模板可以用来计算两个整数、浮点数或字符串的最大值。 

1.2、类模板

类模板是 C++ 中的一种泛型编程机制，允许编写可以处理不同数据类型的类。类模板使用 template <typename T> (或 template <class T>) 声明类型参数 T，然后在类成员函数和成员变量中使用 T。

例如：

template <typename T>
class Container {
public:Container() {}void push_back(T value) { data_.push_back(value); }
private:std::vector<T> data_;
};

这个类模板可以用来创建容器类，可以存储整数、浮点数、字符串等不同数据类型。 

1.3、模板类型形参

模板类型形参是 C++ 中的一种机制，允许将类型参数传递给模板函数或类。模板类型形参使用 typename 关键字声明。

例如：

template <typename T>
T foo(T value) {return value;
}

这个函数模板使用了模板类型形参 T，表示函数可以处理不同数据类型的值。 

1.4、非模板类型参数

非模板类型参数是 C++ 中的一种机制，允许将非类型参数传递给模板函数或类。非模板类型参数使用 const 关键字声明。

例如：

template <typename T>
void foo(T value, const int size) {// 使用 size 参数
}

这个函数模板使用了非模板类型参数 size，表示函数可以处理不同数据类型的值，并且有一个非类型参数 size。 

1.5、默认模板类型参数

默认模板类型参数是 C++ 中的一种机制，允许将默认值赋给模板类型形参。默认模板类型参数使用 = 关键字声明。 

例如：

template <typename T = int>
T foo(T value) {return value;
}

这个函数模板使用了默认模板类型参数 T = int，表示如果不指定类型参数 T，函数将使用整数类型。 

1.6、友元模板函数

友元模板函数是 C++ 中的一种机制，允许一个类访问另一个类的模板函数。友元模板函数使用 friend 关键字声明。

例如：

template <typename T>
class Container {
public:friend T foo(T value) {return value;}
};

这个类模板使用了友元模板函数 foo，表示容器类可以访问 foo 函数。

这些机制可以组合使用，以实现更加灵活和高效的泛型编程。

2、转换函数

转换函数是类的成员函数，用于将类对象转换为其他类型。转换函数没有返回类型，没有参数，并且不能声明为 const、volatile 或 static。转换函数的格式如下：

operator type();

其中，type 是目标类型。

转换函数的用途

转换函数的主要用途是实现类型转换，使得类对象可以在需要其他类型的地方使用。例如，可以将一个类对象转换为整数、浮点数或其他类对象。

示例

假设我们有一个表示距离的类 Distance，我们希望能够将 Distance 对象转换为整数（以厘米为单位）。我们可以定义一个转换函数：

class Distance {
private:int meters;int centimeters;public:Distance(int m, int cm) : meters(m), centimeters(cm) {}// 转换函数operator int() const {return meters * 100 + centimeters;}
};

在这个例子中，operator int() 是一个转换函数，它将 Distance 对象转换为整数类型。

使用转换函数

转换函数可以隐式调用。例如：

Distance d1(1, 50); // 1 米 50 厘米
int totalCm = d1; // 隐式调用转换函数，totalCm 的值为 150

也可以显式调用转换函数：

Distance d1(1, 50); // 1 米 50 厘米
int totalCm = d1.operator int(); // 显式调用转换函数，totalCm 的值为 150

注意事项

  1. 隐式转换：转换函数可以导致隐式类型转换，这可能会引起意外的行为。因此，在设计类时要谨慎使用转换函数。
  2. 显式转换：如果希望避免隐式转换，可以使用 explicit 关键字来声明转换函数。例如：
class Distance {
private:int meters;int centimeters;public:Distance(int m, int cm) : meters(m), centimeters(cm) {}// 显式转换函数explicit operator int() const {return meters * 100 + centimeters;}
};

 使用 explicit 关键字后，转换函数只能显式调用：

Distance d1(1, 50); // 1 米 50 厘米
int totalCm = static_cast<int>(d1); // 显式调用转换函数，totalCm 的值为 150

 转换函数的优点和缺点

优点：

  • 提供了一种方便的方式来实现类型转换。
  • 可以使类对象在需要其他类型的地方使用。

缺点：

  • 可能会引起意外的隐式类型转换，导致代码难以理解和调试。
  • 在某些情况下，可能会导致性能开销。

结论

转换函数是 C++ 中实现类型转换的强大工具，但需要谨慎使用。通过合理设计和使用 explicit 关键字，可以避免隐式转换带来的问题，提高代码的可读性和可维护性。

3、智能指针

智能指针的概念

智能指针是 C++ 中的一种特殊类型的指针，它可以自动地管理内存的分配和释放。智能指针可以帮助开发者避免内存泄漏和野指针的问题。

智能指针的实现

智能指针通常是通过使用模板来实现的。智能指针的实现通常包括以下几个部分：

  1. 引用计数器：智能指针使用引用计数器来跟踪指针指向的对象的引用次数。如果对象的引用次数为 0，智能指针将自动释放对象的内存。
  2. 指针：智能指针包含一个指针，指向对象的内存地址。
  3. 管理函数：智能指针提供了一些管理函数，例如 reset()、get()、operator->() 等，可以用来管理指针和对象。

智能指针的分类

智能指针可以分为以下几种：

  1. unique_ptr：unique_ptr 是一种独占的智能指针，它只能被赋值一次。unique_ptr 使用引用计数器来管理对象的引用次数。
  2. shared_ptr：shared_ptr 是一种共享的智能指针，它可以被赋值多次。shared_ptr 使用引用计数器来管理对象的引用次数。
  3. weak_ptr：weak_ptr 是一种弱引用智能指针，它不持有对象的所有权。但是，它可以访问对象的内存。

智能指针的使用

智能指针可以在很多场景下使用，例如：

  1. 内存管理：智能指针可以用来管理内存的分配和释放，避免内存泄漏和野指针的问题。
  2. 对象管理：智能指针可以用来管理对象的生命周期，避免对象的内存泄漏和野指针的问题。
  3. 资源管理：智能指针可以用来管理资源的释放，例如文件、网络连接等。

智能指针的优点和缺点

优点：

  1. 自动内存管理：智能指针可以自动地管理内存的分配和释放，避免内存泄漏和野指针的问题。
  2. 简化代码：智能指针可以简化代码，避免使用原始指针和手动内存管理。
  3. 提高安全性：智能指针可以提高代码的安全性，避免内存泄漏和野指针的问题。

缺点：

  1. 性能开销：智能指针可能会带来性能开销，例如引用计数器的计算和对象的复制。
  2. 复杂性：智能指针可能会增加代码的复杂性，需要了解智能指针的实现机制和使用方法。
  3. 限制：智能指针可能会限制开发者的自由度，例如不能使用原始指针和手动内存管理。

结论

智能指针是 C++ 中的一种特殊类型的指针，它可以自动地管理内存的分配和释放。智能指针可以提高代码的安全性和简化代码，但是也可能会带来性能开销和复杂性。开发者需要根据具体情况选择合适的智能指针类型和使用方法。

4、STL

C++ 的 STL (Standard Template Library，标准模板库) 是一个强大的工具集，提供了许多常用的数据结构和算法，极大地提高了 C++ 程序的开发效率。它包含以下几个主要组件：

数据结构

4.1、序列容器 (Sequence Containers): 元素按照顺序存储，可以通过索引访问。

  • vector: 动态数组，支持快速随机访问，插入和删除元素在尾部效率高，在中间效率低。
  • deque: 双端队列，支持快速在头部和尾部插入和删除元素。
  • list: 双向链表，支持快速在任意位置插入和删除元素，但随机访问效率低。
  • forward_list: 单向链表，只支持单向遍历，比 list 更节省空间。
  • array: 固定大小的数组，在编译时确定大小。

4.2、关联容器(Associative Containers): 元素按照键值对存储，可以通过键快速查找元素。

  • set: 存储唯一元素的集合，元素按顺序排列。
  • multiset: 存储元素的集合，允许重复元素，元素按顺序排列。
  • map: 键值对映射，键唯一，按键排序。
  • multimap: 键值对映射，键可以重复，按键排序。
  • unordered_set: 存储唯一元素的集合，元素无序，查找效率高。
  • unordered_multiset: 存储元素的集合，允许重复元素，元素无序，查找效率高。
  • unordered_map: 键值对映射，键唯一，无序，查找效率高。
  • unordered_multimap: 键值对映射，键可以重复，无序，查找效率高。

4.3、配器  (Adapters): 容器适配器是对现有容器的包装，提供了不同的接口。

  • stack: 栈，后进先出 (LIFO)。
  • queue: 队列，先进先出 (FIFO)。
  • priority_queue: 优先级队列，元素按优先级排序。

算法

算法 (Algorithms): STL 提供了大量的算法，用于对容器中的数据进行操作，例如排序、查找、复制、删除等。这些算法都是泛型的，可以应用于各种容器。 常见的算法包括：

  • sort(): 排序
  • find(): 查找
  • copy(): 复制
  • remove(): 删除
  • transform(): 变换
  • accumulate(): 求和
  • min_element(), max_element(): 查找最小/最大元素

迭代器 

迭代器 (Iterators): 迭代器是访问容器元素的一种方式，它提供了一种统一的接口来访问不同容器中的元素。迭代器类似于指针，但比指针更安全，更灵活。 迭代器类型包括：

  • 输入迭代器 (Input Iterator)
  • 输出迭代器 (Output Iterator)
  • 前向迭代器 (Forward Iterator)
  • 双向迭代器 (Bidirectional Iterator)
  • 随机访问迭代器 (Random Access Iterator)

函数对象

 函数对象 (Functors): 函数对象是重载了 operator() 的类对象，可以像函数一样使用。函数对象可以用来定制算法的行为。

STL 的优势:

  • 代码重用性: STL 提供了大量的预定义组件，可以减少代码编写量，提高代码重用性。
  • 效率: STL 的组件都是经过高度优化的，效率很高。
  • 可扩展性: STL 的组件都是基于模板的，可以很容易地扩展到新的数据类型。
  • 标准化: STL 是 C++ 标准的一部分，所有符合标准的编译器都支持 STL。

使用 STL 的建议:

  • 选择合适的容器：根据实际需求选择合适的容器类型，例如，如果需要频繁插入和删除元素，则可以选择 list 或 deque；如果需要快速随机访问元素，则可以选择 vector。
  • 理解迭代器：熟练掌握迭代器是使用 STL 的关键。
  • 使用算法：STL 提供了大量的算法，可以简化代码，提高效率。
  • 注意效率：虽然 STL 组件效率很高，但在某些情况下，仍然需要注意效率问题，例如，避免不必要的复制操作。

总而言之，C++ STL 是一个功能强大的工具集，熟练掌握 STL 可以大大提高 C++ 程序的开发效率和代码质量。 学习 STL 需要理解其核心组件之间的关系和使用方法，以及各种容器和算法的特性和适用场景。

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