《C++面向对象软件设计及构建》文章翻译：7.1模板,7.1 Templates

在若干种常见的编程场景中，需要对于多种不同的数据类型用上相同的类结构。以下列举出这种场景的例子：

队列类

• •由用户输入的字符组成的队列

• •已发生且等待被处理的鼠标事件组成的队列

列表类

• •屏幕上当前显示的窗口组成的列表

• •菜单中的菜单项组成的列表

集合类

• •由一个或多个按钮组成的集合

• •当前可用的画笔或颜色组成的集合

在每种示例中，所需要的是相同的基本算法及对应的数据结构。在使用这种类的过程中，所发生变化的东西就是，具体被操作的数据的类型。

作为对于这些场景进行处理的一个好的机制，应当避免编写重复的代码，并且，保留一个良好设计的类中所具有的类型安全性。避免编写重复的代码，就意味着，当两个队列的区别 仅仅 是其中包含的数据类型不同的话，没必要将MouseEventQueue 和CharacterQueue 类实现为各自独立的类。保留类型安全性，意味着，我们不希望为了避免编写重复的代码而写出过于通用（对数据类型完全一无所知）的类。例如，我们在技术上能够实现一个单一的Queue 类，它操作的数据类型是"void*"，但是，这种设计就是过于通用了，因为，它将允许任何东西都能够被放置到队列中（例如，将MouseEvent放置到CharacterQueue中）。

模板，是一个带参数的类，它的参数就指明了具体发生变化的数据类型。C++中，用于声明一个队列类的模板的语法是：

template < class QueueItem > class Queue { ... }

在关键字template 后面，以尖括号包围起来的部分，就是模板参数。在这个示例中，所用到的模板参数，QueueItem，是一个类。对于Queue 来说，QueueItem就是用来指明，这个Queue 中要容纳的条目的类型。在参数化的类(Queue)中，可按照以下一种或多种方式来使用模板参数：用来定义参数化类中某个方法的参数类型；用来定义参数化类中某个方法返回的数据类型；或者，用来定义参数 化类中定义的某个本地数据的数据类型。在下面示例的Queue 类中，展示了上述各种模板参数的用法。

在下面展示的Queue 模板类代码中，首先用QueueItem来定义缓冲数组的数据类型，这个缓冲数组用来容纳队列中当前存在的元素。Insert 方法的参数，也被定义为QueueItem，这就与那个用来储存输入值的缓冲数组的声明一致。最后，由Remove 方法返回的结果，其类型也是QueueItem，因为，这正是从缓冲数组中取出的数据的类型。

参数化类型(模板)，可用来创建一个新的类，具体做法就是，使用适当的参数来将模板实例化。模板，可以用来以两种方式来创建新的类。第一种方式，就是直接创建一个对象，如下所示：

Queue<int> intQueue;               // 由整数对象组成的队列

在这个示例中，intQueue 这个对象，即是被定义为一个参数化类型Queue 的实例，其中，模板参数即为int 类型。第二种方式，利用类型定义（typedef）来定义一个类型（类）名字：

typedef Queue<int> IntegerQueue;  // 一个类，它是由整数组成的队列

IntegerQueue intQueue;

无论使用哪种方式，创建出来的那个对象，都是一个由整数组成的队列，并且对它的操作方式都是一样的。例如，整数队列可按照以下方式来测试：

intQueue.Insert(100);           // 加入100

intQueue.Insert(200);           // 加入200

int x = intQueue.Remove();      // 删除100

intQueue.Insert(300);           // 队列 中目前包含 (200,300)

int x = intQueue.Size();        // 尺寸 是 2

注意，对于intQueue 对象的访问方式，没有任何区别。利用实例化的模板创建的对象，用起来跟一个利用非参数化类创建的对象没有区别。

要完成模板类的实现的话，它的每个方法都必须被定义。在模板方法的语法中，必须带上一个前置声明，用来将它与模板及模板的参数关联起来。由此，产生了如下的（有点冗长的）语法。

每个方法定义的前面，都带上了一个模板说明(template< class QueueItem>)。并且，类名中还包含了模板语法(Queue<QueueItem>::)。注意，对于Remove 方法，其返回类型，位于最开始的模板说明代码之后，位于类名之前。

参数化的Queue 类的完整代码，如下所示。

模板，与非参数化类的另一个区别就是，方法定义的位置不同。在非参数化的类中，方法的定义是放置于代码(.cc或.C或.cpp)文件中的。而对于参数化的类呢，方法定义是直接放置于头(.h)文件中的。这是必要的，在这种情况下，当编译器被要求对某个模板进行实例化的时候（例如，见到Queue<int>这种形式的声明），它仅仅需要查看头文件(通过#include语句引用)，就能够得到所有相关的信息，就能够理解该如何对模板进行实例化并且生成对应的类的代码。

1 练习

1. 1.编写一个程序，它会创建且操作两个Queue<int>类型的队列。对于其中一个队列，直接以Queue<int>方式来声明。对于另一个队列，使用类型定义（typedef）来声明。

2. 2.使用练习1中开发的代码，来验证，是否可以将一个队列赋值给另一个队列。结果与妳的猜测一致吗？

3. 3.编写一个程序，它会创建且操作两个Queue<Location>类型的队列。对于其中一个队列，直接以Queue<Location>方式来声明。对于另一个队列，使用类型定义（typedef）来声明。

4. 4. 命名的数据集：实现并编写一个程序，用来测试一个模板类，它维护着一个由最多100 个元素组成的数据集。其中，每个元素都拥有一个关联名字。元素本身的类型由模板参数来指定，而元素的关联名字，一定是一个字符串(一个char*)。以下代码展示了这个模板可能的用法：

   NamedCollection<int> collection;

   ...

   collection.Add("first", 10);    // 将10关联到名字"first"上

   collection.Add("next", 20);     // 将20 关联到名字"next"上

   ...

   if (collection.Contains("next"))

   { int val = collection.ValueOf("next");

   ...

   }

   妳可以假设，不会有名字重复。

5. 5. 以下，是IntArray 类的代码。为这个类创建一个通过模板实现的版本，并且编写一个程序来测试妳的模板。

   class IntArray {

   private:

   int array[100];

   public:

   Array();

   int& At(int i);

   ~Array();

   };

   IntArray::IntArray() {};

   int& IntArray::At(int i)

   {assert(0<i && i < 100);

   return array[i];

   }

   IntArray::~IntArray() {}

6. 6.使用妳所实现的Array 模板。编写一个测试程序，它会创建且操作一个二维的整数数组：typedef Array< Array<int> > Matrix。对于这样一个二维数组，该如何访问其中的元素？

7. 7.编写一个测试程序，它会声明且操作一个由队列组成的数组。

8. 8.编写一个测试程序，它会声明且操作一个由数组组成的队列。

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