C++函数模板与类模板结合使用实例-C++-PHP中文网

C++函数模板与类模板结合使用实例

P粉602998670

发布： 2025-09-02 09:33:01

原创

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通过类模板定义通用数据结构，结合函数模板实现灵活操作，支持类型自动推导与转换，利用友元函数或公共接口访问私有成员，并可通过函数对象实现自定义逻辑，提升代码复用性与扩展性。

c++函数模板与类模板结合使用实例

C++函数模板和类模板结合使用，能极大提升代码的灵活性和复用性。简单来说，就是用模板类来存储数据，然后用模板函数来操作这些数据，类型可以根据需要自动推导。

解决方案

下面通过一个例子来说明如何结合使用 C++ 函数模板和类模板。假设我们需要一个通用的数组类，可以存储各种类型的数据，并且需要一个函数来查找数组中的最大值。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 类模板：通用数组类
template <typename T>
class GenericArray {
private:
    std::vector<T> data;
public:
    GenericArray(int size) : data(size) {}

    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    int getSize() const {
        return data.size();
    }
};

// 函数模板：查找数组最大值
template <typename T>
T findMax(const GenericArray<T>& arr) {
    if (arr.getSize() == 0) {
        throw std::runtime_error("Array is empty");
    }

    T maxVal = arr[0];
    for (int i = 1; i < arr.getSize(); ++i) {
        if (arr[i] > maxVal) {
            maxVal = arr[i];
        }
    }
    return maxVal;
}

int main() {
    // 创建一个存储 int 类型的数组
    GenericArray<int> intArray(5);
    intArray[0] = 10;
    intArray[1] = 5;
    intArray[2] = 20;
    intArray[3] = 15;
    intArray[4] = 8;

    // 使用函数模板查找 int 数组的最大值
    int maxInt = findMax(intArray);
    std::cout << "Max int value: " << maxInt << std::endl;

    // 创建一个存储 double 类型的数组
    GenericArray<double> doubleArray(3);
    doubleArray[0] = 3.14;
    doubleArray[1] = 2.71;
    doubleArray[2] = 1.618;

    // 使用函数模板查找 double 数组的最大值
    double maxDouble = findMax(doubleArray);
    std::cout << "Max double value: " << maxDouble << std::endl;

    return 0;
}

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类模板

GenericArray

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定义了一个可以存储任意类型
```
T
```
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的数组。
使用
```
std::vector
```
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作为底层存储。
提供了
```
operator[]
```
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用于访问数组元素。
提供了
```
getSize()
```
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用于获取数组大小。

函数模板

findMax

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接收一个
```
GenericArray<T>
```
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类型的数组作为参数。
遍历数组，找到最大值。
返回最大值。

main

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函数:

演示了如何创建
```
int
```
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和
```
double
```
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类型的
```
GenericArray
```
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实例。
演示了如何使用
```
findMax
```
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函数模板查找不同类型数组的最大值。

如何在类模板的成员函数中使用函数模板？

在类模板的成员函数中使用函数模板，其实就是把函数模板的定义放在类模板的内部。这样做可以进一步提升代码的模块化程度，让类模板的功能更加强大。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

template <typename T>
class GenericArray {
private:
    std::vector<T> data;
public:
    GenericArray(int size) : data(size) {}

    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    int getSize() const {
        return data.size();
    }

    // 在类模板内部定义函数模板
    template <typename U>
    U findMax() const {
        if (data.empty()) {
            throw std::runtime_error("Array is empty");
        }

        U maxVal = static_cast<U>(data[0]); // 显式转换，确保类型匹配
        for (size_t i = 1; i < data.size(); ++i) {
            if (static_cast<U>(data[i]) > maxVal) { // 显式转换
                maxVal = static_cast<U>(data[i]);
            }
        }
        return maxVal;
    }
};

int main() {
    GenericArray<int> intArray(5);
    intArray[0] = 10;
    intArray[1] = 5;
    intArray[2] = 20;
    intArray[3] = 15;
    intArray[4] = 8;

    // 显式指定模板参数
    double maxInt = intArray.findMax<double>();
    std::cout << "Max int value: " << maxInt << std::endl; // 输出 double 类型

    GenericArray<double> doubleArray(3);
    doubleArray[0] = 3.14;
    doubleArray[1] = 2.71;
    doubleArray[2] = 1.618;

    // 显式指定模板参数
    int maxDouble = doubleArray.findMax<int>();
    std::cout << "Max double value: " << maxDouble << std::endl; // 输出 int 类型

    return 0;
}

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在这个例子中，

findMax

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函数模板被定义为

GenericArray

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类模板的成员函数。关键在于，你可以在调用

findMax

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的时候，显式指定返回值的类型。

模板函数与模板类结合使用时，如何处理类型转换问题？

类型转换是使用模板时经常遇到的问题。如果模板函数和模板类处理的数据类型不一致，就需要进行类型转换。

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例如，在上面的例子中，

findMax

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函数模板返回值的类型

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可以和数组元素的类型

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不同。为了保证比较的正确性，需要使用

static_cast

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将数组元素转换为

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类型。

template <typename T>
class GenericArray {
    // ...
    template <typename U>
    U findMax() const {
        // ...
        U maxVal = static_cast<U>(data[0]);
        // ...
        if (static_cast<U>(data[i]) > maxVal) {
            // ...
        }
        // ...
    }
};

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static_cast

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是一种编译时类型转换，它比 C 风格的类型转换更加安全。但是，使用

static_cast

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也需要小心，因为它可能会导致数据丢失或精度损失。例如，将

double

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类型转换为

int

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类型会丢失小数部分。

如何在模板函数中访问模板类的私有成员？

在模板函数中直接访问模板类的私有成员是不允许的，因为私有成员只能在类的内部访问。但是，可以通过以下几种方式来间接访问私有成员：

友元函数： 可以将模板函数声明为模板类的友元函数。这样，模板函数就可以访问模板类的所有成员，包括私有成员。

template <typename T>
class GenericArray {
private:
    std::vector<T> data;

    // 声明模板函数为友元函数
    template <typename U>
    friend U findMax(const GenericArray<T>& arr);

public:
    GenericArray(int size) : data(size) {}

    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    int getSize() const {
        return data.size();
    }
};

template <typename T>
T findMax(const GenericArray<T>& arr) {
    // 现在可以访问 arr.data
    if (arr.data.empty()) {
        throw std::runtime_error("Array is empty");
    }

    T maxVal = arr.data[0];
    for (size_t i = 1; i < arr.data.size(); ++i) {
        if (arr.data[i] > maxVal) {
            maxVal = arr.data[i];
        }
    }
    return maxVal;
}

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提供公共接口： 可以在模板类中提供公共的成员函数，用于访问或修改私有成员。这样，模板函数就可以通过调用这些公共接口来间接访问私有成员。这是更推荐的做法，因为它更符合面向对象的设计原则。

template <typename T>
class GenericArray {
private:
    std::vector<T> data;

public:
    GenericArray(int size) : data(size) {}

    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    int getSize() const {
        return data.size();
    }

    // 提供公共接口访问私有成员
    const std::vector<T>& getData() const {
        return data;
    }
};

template <typename T>
T findMax(const GenericArray<T>& arr) {
    // 通过公共接口访问 data
    const std::vector<T>& data = arr.getData();
    if (data.empty()) {
        throw std::runtime_error("Array is empty");
    }

    T maxVal = data[0];
    for (size_t i = 1; i < data.size(); ++i) {
        if (data[i] > maxVal) {
            maxVal = data[i];
        }
    }
    return maxVal;
}

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如何在模板类中使用函数对象（Functor）进行自定义操作？

函数对象（Functor）是一个行为类似函数的对象。它可以是一个类的实例，该类重载了

operator()

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运算符。使用函数对象可以实现更加灵活和可定制的操作。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 函数对象：自定义比较函数
template <typename T>
class GreaterThan {
private:
    T threshold;
public:
    GreaterThan(T threshold) : threshold(threshold) {}

    bool operator()(const T& value) const {
        return value > threshold;
    }
};

template <typename T>
class GenericArray {
private:
    std::vector<T> data;
public:
    GenericArray(int size) : data(size) {}

    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    int getSize() const {
        return data.size();
    }

    // 使用函数对象进行过滤
    std::vector<T> filter(const GreaterThan<T>& predicate) const {
        std::vector<T> result;
        for (const T& value : data) {
            if (predicate(value)) {
                result.push_back(value);
            }
        }
        return result;
    }
};

int main() {
    GenericArray<int> intArray(5);
    intArray[0] = 10;
    intArray[1] = 5;
    intArray[2] = 20;
    intArray[3] = 15;
    intArray[4] = 8;

    // 创建一个函数对象
    GreaterThan<int> gt10(10);

    // 使用函数对象过滤数组
    std::vector<int> filteredArray = intArray.filter(gt10);

    std::cout << "Filtered array: ";
    for (int value : filteredArray) {
        std::cout << value << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

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在这个例子中，