c++模板概述

一、模板简介

• 模板引入一种全新的编程思维方式，称为“泛型编程
• 强类型程序设计中，参与运算的所有对象的类型在编译时即确定下来，并且编译程序将进行严格的类型检查。为了解决强类型的严格性和灵活性的冲突。
• 强类型（静态）程序设计语言： C   C++   Java    C#
• 弱类型      ----->Javascript  PHP  lua  python 
• • 弱类型（动态）程序设计语言
  • 建议：每隔一年去学一种新的语言，最好是强类型和弱类型相结合。
• 为了解决强类型的严格性和灵活性的冲突。有以下3中方式解决：
• • 为了解决强类型的严格性和灵活性的冲突。有以下3中方式解决：
  • • 带参数宏定义（原样替换）
    • 重载函数（函数名相同，函数参数不同）
    • 模板（将数据类型作为参数）

二、模板使用

• 模板的定义
• • template<typename T>    ---->建议使用
  • template <class T>   
• 1、函数模板

template <模板参数表>

返回类型 函数名（参数列表）

{   

     //函数体

}

• 关键字template放在模板的定义与声明的最前面，其后是用逗号分隔的模板参数表，用尖括号（<>）括起来。模板参数表不能为空。
• 模板参数的形式有两种：
• • 类型参数，使用typename/class
  • 非类型参数，整形数据，代表常量。
• 非类型参数表达式,必须是int类型，使用已知类型符，代表一个常量 。eg : template<typename T ,int num> 表示第二个参数不确定。

template <typename T>

T add(const T &a, const T &b)

{   

     return a + b;

}

• 模板有函数模板和类模板之分。通过参数实例化构造出具体的函数或类，称为模板函数或模板类。
• 函数模板 到 模板函数 （实例化）  需要模板参数推导，它是根据实参传递时的类型自动推导，可以理解为模板-->代码生成器。
• 函数模板是可以设置默认参数的。
• 在使用之时，若不申明类型，称隐式实例化，反之，显式实例化。add <double> (da,db) ，最好显式调用。
• 函数模板和函数是可以进行重载的。重载时，会优先执行普通函数。函数模板与函数模板之间也是可以重载的。
• 对于模板而言就可以使用， #include<add. cc>  
• • 或者在头文件里面加上 # include “add . cc”
  • 对于模板而言，可以分成头文件和实现文件，但在用函数时，必须能够看到其全部的实现。
• 模板还有一种用法，模板特化（把所有的模板参数固定下来）。template < >  然后在加重载函数。另一种是，模板的偏特化（把部分模板参数固定下来）。

• 2、类模板

• 模板的套嵌可以理解成在另外一个模板里面定义一个模板。以模板（类，或者函数）作为另一个模板（类，或者函数）的成员，也称成员模板。
• • 成员模版是不能声明为virtual的。
• 对于模板，可以深入，可参见 prime
• 模板形式的单例模式，----->面试题。

二、STL简介

• STL库是用模板（template）写出来的，模板是STL库的基础。STL大致由以下几部分组成：
• • 容器（container）  --->数据结构
  • 迭代器（iterator）  --->泛型的指针
  • 适配器（Adapter） 又有几种适配器
  • 算法（algorithm）   通过迭代器操作数据，函数模板。
  • 函数对象（functor）
  • 配置器（allocator） 空间内存的分配，
• 容器（container）主要介绍
• • 序列式容器（sequential container）
  • 关联式容器（associative container）
  • 无序关联式容器   （Unordered associative containers）
  • 容器适配器     （Container adaptors）
• 主要讨论序列式容器vector、list和deque的用法
• • Vector(数组)    deque(双端队列)    list（链表）

• • 迭代器的范围是一个左闭右开的区间。原生指针也是一种迭代器。
  • vector<int>::iterator it; //该迭代器能够修改元素的值得，如果不想变化，我们一般使用，vector<int>::const_iterator it; 进行遍历。
  • deque  
  • • deque<int> dequeInt{1,2,3,4,5}
    • deque 可以直接用下标运算符访问，[  ]
    • 迭代器也可以逆序访问
  • list <float> listFloat(3,5);
  • list 不支持下标访问运算符。
  • vector/deque 他们都实现了operator[ ],支持随机访问，说明他们能在O（1）时间找到元素。
  • list不支持operator[ ] ,因为它是链表，只支持双向迭代器，访问，不能随机访问。
  • 而且容器对象都能随着元素的插入和删除自动地增大，可以调用函数进行变小。（）
  • 类型的萃取技术。自己研究。
• 下面介绍5类相关函数

                       

• • 在容器尾部进行插入和删除(list、deque和vector都适用)：     void push_back(t)和void pop_back(void)
  • 在容器头部进行插入和删除(list和deque适用，vector不适用):     void push_front(t)和void pop_front(void)
  • 获取容器头部和尾部元素(list、deque和vector都适用)：     front(void)和back(void)，
  • 在容器中间插入元素。有如下3种重载形式：
  • • 将元素t插到p之前，返回的迭代器指向被插入的元素。 iterator insert(iterator p, elemType t);
    • 在p之前插入n个t，无返回值。     void insert(iterator p, int n, elemType t);
    • 在p之前插入[first, last)之间的所有元素。     void insert(iterator p, iterator first, iterator last);
    • 通过insert 可以在vector的头部可以添加元素，但不推荐，这样的时间复杂度是O（n）
    • 对于deque来说，执行insert方法的时间复杂度与元素个数相关的。
    • 对于list的添加元素，很快，insert  时间复杂度是O （1）；
    • typename 不可少
  • erase删除操作，有2种重载形式：
  • • 删除迭代器p所指向的元素，返回p指向的下一个迭代器： iterator erase(iterator p);
    • 删除[frist,last)之间的所有元素，返回last指向的下一个迭代器： iterator erase(iterator first, iterator last);
  • clear操作：用于将容器对象清空。 void clear(void); 用法很简单。注意：对于vector而言，只清空元素，不清空内存。capacity( )函数方法只有vector 才有的方法。能用vector就用它。
• 总结：
• • vector，类似于数组。vector是数组的类表示，它提供了自动管理内存的功能，可以动态改变vector对象的长度，并随着元素的增删而增大。提供了对元素的随机访问，和数组一样，在vector尾部添加和删除元素（push_back和pop_back）的时间是固定的，但在vector中间或头部增删元素(insert,erase)的时间和复杂度线性正比于vector容器对象中元素的多少。
  • deque双端队列。deque容器对象支持下标随机访问，在deque头部和尾部添加删除元素时的时间都是固定的，因此，如果有很多操作是针对序列的头部位置的，建议使用deque容器。但是，如果是在deque的中间进行元素的增删处理，操作的复杂度和时间正比于deque对象中元素的多少。
  • list类模板表示双向链表，除了首尾元素外，list容器对象中的每个元素都和前面的元素相链接。list不支持下标随机访问，只能通过迭代器双向遍历。 和vector和deque不同的是，在list的任何位置增删元素的时间都是固定的。

2、关联式容器（associative）-->有序 -->二分查找

• 关联式容器为什么要使用红黑树？   为了查找元素高效。
• 实现是   动态平衡二叉树     ---->  红黑树
• • 特点：左右子树的高度差的绝对值不超过1
• 4种联合容器类模板：set、map、multiset和multimap。
• set中仅仅包含关键字，而没有值的概念，map中存储的是“关键字――值”对
• 4种关联式容器都会根据指定的或默认的排列函数，以关键字为索引，对其中的元素进行排序。

• set容器
• • set内部不能存放相同的关键字，内部元素是唯一，默认情况下升序排序。比较器是  less< >
  • set之中的元素都是只读的，不能进行修改。
  • 可以自设定排序方式：set<int, greater<int> >
  • STL提供了3种创建set的方式：
  • • 创建空set容器对象，如：set<int> obS;
    • 将迭代器的区间作为参数的构造函数，如： int sz[9]={1,2,3,4,5,6,3,5,6}; set<int> A(sz,sz+9);
    • 根据已有同类型的容器创建新容器，如 set<int> B(A);
  • set不支持[ ]下标式的随机访问，必须通过双向迭代器访问元素。
• multiset容器
• • 使用multiset需要包含头文件<set>。 multiset的创建方式与也是3种方式。
  • multiset与set不同之处在于其允许出现相同的关键字。
• map容器
• • 头文件<map>
  • map的元素是一对对的“关键字-值”组合，“关键字”用于搜寻，而“值”用来表示我们要存取的数据。 默认情况下按照关键字以升序的方式进行排列。
  • 每个关键字只能出现一次，不能重复。 可使用类模板pair<class T1,class T2>来表示map容器中形如“关键字-值”的每个元素。
  • eg：pair<const int, string> t(600036,”招商银行”);     cout << t.first << t.second << endl;   
  • //t.first表示600036，t.second表示,”
  • 招商银行” 也可创建pair<class T1,class T2>的匿名元素：     pair<const int, string>(600036,”招商银行”); const表示关键字是只读的。
  • map支持[ ]下标式的随机访问，也支持迭代器访问元素。 重载了下标访问符，但不是随机访问，时间复杂度是log(N),于是可以通过下标访问符，添加数据。或进行修改。
• multimap容器
• • multimap与map不同之处在于其允许出现相同的元素。此时不支持[ ]随机操作。
  • 元素的插入：
  • pair<iterator, bool> ob.insert(t)      
  • •   适用于map和set容器。返回一个pair<iterator,bool>值，当ob中不包含t时，将t插入ob中，bool为true；否则不进行插入，bool为false。
  • 创建pair时，也可以用make
  • 对于比较繁琐的类型可以使用auto
• STL为所有容器定义了下列类型：

                                                          

• 适配器     ----> 是一种设计模式 
• • 容器或函数对象无法直接应用于算法，因此，必须有一种中间过渡机制来实现两者的匹配，这就是适配器，本质上，适配器是使一事物的行为类似于另一事物的行为的一种机制。
• 容器适配器
• • 标准库提供了三种默认序列容器适配器：                           stack(deque,list)、                           queue(deque,list)、              priority_queue(vector, deque)。
• priority_queue  --->堆排序  --->必须掌握
• • 默认情况下，按照std::less 进行比较的，但元素出队时是降序排序，--->原因是优先级队列的底层是堆排序。 ---->每一次比较，都是拿堆顶元素与新元素进行比较，当满足条件时，就用新元素替换堆顶元素，

• 排 序 ：
• •    内部排序：知道所有的元素，需全部加载 

                   内存

• • • 冒泡         ---> （优化）快排

                 插入排序  ----> (优化)  希尔排序

                    简单选择排序

                    归并排序

                    基数排序

• •   外部排序  ：不能把所有的元素全部加载到     

                  内存

在使用模板时，可以二次赋值，因为调用的时候，需无参构造。

• 树的遍历方式：  前序遍历   中序遍历   后序遍历

• 迭代器 
• • 是容器的又高一层的抽象,迭代器是种更高层次的抽象，它使得算法独立于容器,这使得算法独立于类型。
• 迭代器对象应具备以下功能：
• • 间接访问（*p）,即deference，在迭代器类中必须对一元*操作符定义。
  • 迭代器对象之间的赋值，如p＝q，在迭代器类中必须对赋值操作符定义。
  • 迭代器对象间的比较，比较两个迭代器是否相等，因此，在迭代器类内必须对关系运算符==和!=进行定义，原则上讲，不需要对迭代器进行大小比较（<、>）等，就像比较指针实际上是比较其中存储的地址大小一样，没有意义。
  • 能使用迭代器遍历容器中所有的元素，在本章已给出的示例代码中已经大量应用了诸如“p++”之类的操作，因此，在迭代器类必须对前缀增1和后缀增1进行定义。

分类有：

          不同的算法对迭代器的要求不同，为此，STL定义了5种迭代器，分别是

随机访问迭代器（RandomAccessIterator）

双向迭代器（BidirectionalIterator）

前向迭代器（ForwardIterator） 输出迭代器（OutputIterator） 输入迭代器（InputIterator）

• 随机访问迭代器        vector   deque
• 双向迭代器   list  ,set/map   nultiset/multimap
• 前向迭代器      
• • 把输入输出流当成容器来看待
• 输出迭代器
• • ostream_iterator 
• 输入迭代器
• • istream_iterator

                                             

• 不同的算法要求的迭代器类型不同，之所以定义了5种迭代器，是为了使用“最合适”的工具，从图中看，依照箭头的方向，迭代器实现的功能越来越少，除了输出迭代器和输入迭代器是功能相反的并列关系外，箭头左侧的迭代器不仅都实现了右侧迭代器所有的功能，而且在其基础上增加了一些功能。
• 所以说，箭头左侧的迭代器“适应”于箭头右侧的迭代器，因此，如果某个算法的形参为前向迭代器，则实参可以是双向迭代器和随机访问迭代器，但不能是输出迭代器或输入迭代器。
• 种容器迭代器中，vector和deque是随机访问迭代器，其他5种均为双向迭代器。
• • 7种容器迭代器p均支持如下操作： *p读，*p写，++p，p++，--p，p--
  • 只有vector和deque迭代器p支持如下操作：p += n和p -= n
• 输出流迭代器

• 输出流迭代器的定义为：   
• ostream_iterator<class T1, class T2=char> 迭代器名(ostream_type &ost, const T2 *p=0);
• 如：ostream_iterator<int> osi(cout, "\n");
• 现在osi就是一个输出流迭代器，通过osi可使用cout输出int类型的数据，结束符为换行符。

• 输入流迭代器

• 输入流迭代器的定义为：istream_iterator<class T1,class T2＝char> 迭代器名(istream_type& ist);
• 如： istream_iterator<int,char> isi(cin);
• 现在isi就是一个输入流迭代器，通过isi可使用cin接收int数据类型的键盘输入，结束符为非数字字符。

设计模式之适配器

• 泛 型 算 法

• • STL类库中提供的一些通用的非成员函数操作。这些算法可以操作在多种容器类型上,所以称为“泛型”，泛型算法不是针对容器编写，而只是单独依赖迭代器和迭代器操作实现。
  • 使用泛型算法必须先包含algorithm头文件，使用泛化的算术算法则必须包含numeric头文件： #include <algorithm> #include <numeric>
  • 函数对象是可以以函数方式与( )结合使用的任意对象，包括：(functor-仿函数) 函数名； 指向函数的指针； 重载了( )操作符的类对象（即定义了函数operator( )( )的类）。
• STL将算法库分为4组，前3个在algorithm头文件中描述，而第4个在numeric头文件中描述：
• • 非修改式序列操作：不改变容器的内容，如find()、for_each()等。
  • 修改式序列操作：可以修改容器中的内容，如transform()、random_shuffle()、copy等。
  • 排序和相关操作：包括各种排序函数等，如sort()等。
  • 通用数字运算：计算两个容器的内部乘积等。
• lambda表达式 --->匿名函数
• • [ ]( ){ //......  }
  • remoe  -  erase惯用法 或者写在一起。
  • 在便利容器的过程中，不建议做删除或添加元素的操作，因为，有可能导致迭代器失效。
• erase 和 remove 惯用法，常放在一起使用
• 非修改式序列操作

• for_each():将一个非修改式函数用于指定区间中的每个成员
• find():在区间中查找某个值首次出现的位置 (O(N)) 元素有序不推荐
• find_if():在区间中查找第一个满足断言测试条件的值
• find_end():在序列中查找最后一个与另一个序列匹配的值。匹配时可使用等式或二元断言
• find_first_of():在第二个序列中查找第一个与第一个序列的值匹配的元素。匹配时可使用等式或二元断言。
• adjacent_find():查找第一个与其后面的元素匹配的元素。匹配时可使用等式或二元断言。
• count():返回特定值在区间中出现的次数。
• count_if():
• mismatch():
• equal():
• search():
• search_n():

• 修改式序列操作

• copy():
• copy_backword():
• swap():
• swap_ranges():
• iter_swap():
• transform():
• replace():
• replace_if()
• remove/remove_if

• 排序和相关操作

• sort():
• stable_sort():
• partial_sort():
• nth_element():
• lower_bound():
• upper_bound():
• equal_range():

• 函数适配器
• • bind(函数对象，指定值
  • 绑定的参数的个数不受限制;对于不事先绑定的参数，需要传std::placeholders进去，从_1开始，依次递增
  • bind提前绑定参数时，未提前绑定的参数所在位置需要使用站位符占住。常与function联合使用。可以把function看成是函数类型的容器。
  • int （int， int）函数标签，可以看成回调函数的注册。（用函数类型创建的一个函数对象）
  • 如果bind要绑定一个成员函数，需要加上取地址符号 & 
  • 包装器 std：：cref( n)  ,
  • bind的占位符所在的位置代表的是形参的位置。占位符本身的数字代表的是实参传递时要绑定的实参的位置。
  • bind绑定参数时，采用的是值传递，会进行复制。所以在绑定成员函数时，第一个参数尽量用对象的地址进行传递。
  • 如果采用auto关键字接受bind的返回值，实参传递时个数不受限制，多余的实参是无效参数。
  • bind除了能够绑定到普通函数，成员函数外还可以绑定到变量上。