Шаблоны в C++: руководство по обобщённому программированию

Шаблоны — основа обобщённого программирования, которое подразумевает написание кода независимого от конкретного типа.

Шаблон — это чертеж или формула для создания обобщённого класса или функции. Библиотечные контейнеры вроде итераторов и алгоритмов — примеры обобщённого программирования, разработанные с использованием шаблонов.

Существует единственное определение каждого контейнера, например vector, но можно определять многие разные виды векторов: vector<int> или vector<string>.

Шаблоны можно использовать для определения функций и классов. Посмотрим, как они работают.

Функциональный шаблон

Общая форма определения шаблонной функции:

template <class тип> возврат_тип имя_функции(список_параметров) {
    // тело функции
}

Здесь тип — заполнитель имени типа данных, используемого функцией. Это имя можно использовать внутри определения функции.

Пример шаблонной функции, возвращающей максимум из двух значений:

Live Demo

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
template <typename T>
inline T const& Max(T const& a, T const& b) {
    return a < b ? b : a;
}
int main() {
    int i = 39, j = 20;
    cout << "Max(i, j): " << Max(i, j) << endl;
    double f1 = 13.5, f2 = 20.7;
    cout << "Max(f1, f2): " << Max(f1, f2) << endl;
    string s1 = "Hello", s2 = "World";
    cout << "Max(s1, s2): " << Max(s1, s2) << endl;
    return 0;
}

Результат:

Max(i, j): 39
Max(f1, f2): 20.7
Max(s1, s2): World

Класс-шаблон

Как можно определять функциональные шаблоны, так можно определять класс-шаблоны. Общая форма объявления обобщённого класса:

template <class тип> class имя_класса { ... }

Здесь тип — заполнитель типа, который будет указан при инстанцировании класса. Можно определять более одного обобщённого типа через запятую.

Пример определения класса Stack<> и реализации обобщённых методов push и pop:

Live Demo

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <stdexcept>
using namespace std;
template <class T>
class Stack {
private:
    vector<T> elems; // элементы
public:
    void push(T const&);     // поместить элемент
    void pop();              // извлечь элемент
    T top() const;           // вернуть верхний элемент
    bool empty() const {     // true если пуст
        return elems.empty();
    }
};
template <class T>
void Stack<T>::push(T const& elem) {
    elems.push_back(elem);   // добавить копию переданного элемента
}
template <class T>
void Stack<T>::pop() {
    if (elems.empty()) {
        throw out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
    }
    elems.pop_back();        // удалить последний элемент
}
template <class T>
T Stack<T>::top() const {
    if (elems.empty()) {
        throw out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");
    }
    return elems.back();     // вернуть копию последнего элемента
}
int main() {
    try {
        Stack<int> intStack;       // стек int
        Stack<string> stringStack; // стек string
        // работа со стеком int
        intStack.push(7);
        cout << intStack.top() << endl;
        // работа со стеком string
        stringStack.push("hello");
        cout << stringStack.top() << endl;
        stringStack.pop();
        stringStack.pop(); // вызовет исключение
    } catch (exception const& ex) {
        cerr << "Exception: " << ex.what() << endl;
        return -1;
    }
}

Результат:

7
hello
Exception: Stack<>::pop(): empty stack