1，學習目標
1.理解類模板的概念；
2.掌握類模板的定義、實例化過程，會運用類模板；
3.掌握棧類模板、鏈表類模板的使用；
4.理解STL編程的基本思想；
5.掌握STL容器的使用；
6.熟練使用STL算法；
7.理解STL函數對象；
- 類模板
模板是C++語言的重要特征，它能夠顯著提高編程效率。利用C++的函數模板和類模板，能夠快速建立具有類型安全的類庫集合和函數集合，進行大規模軟件開發，並提高軟件的通用性和靈活性。C++的
標准模板庫（standard template library，簡稱
STL）編程完全依賴模板的實現。
類模板是能根據不同參數建立不同類型成員的類。類模板中的數據成員、成員函數的參數、成員函數的返回值可以取不同類型，在實例化成對象時，根據傳入的參數類型，實例化成具體類型的對象。類模板也稱模板類。
類模板定義的語法為：
template <
模板參數表
>
class
類名
{
成員名；
};
其中：
Ø template為模板關鍵字。
Ø 模板參數表中的類型為參數化(parameterized)類型，也稱可變類型，類型名為class (或typename)；模板參數表中的類型也可包含普通類型，普通類型的參數用來為類的成員提供初值。
Ø 類模板中的成員函數可以是函數模板，也可以是普通函數。
例如，下面定義了一個模板類Student，為了增強類的適用性，將學號設計成參數化類型，它可以實例化成字符串、整型等；將成績設計成參數化類型，它可以實例化成整型、浮點型、字符型(用來表示等級分)等；
template <class TNO, class TScore, int num> // TNO,TScore 為參數化類型
class Student
{
private:
TNO StudentID[num]; //參數化類型數組，存儲姓名
TScore score[num]; //參數化類型數組，存儲分數
public:
TNO TopStudent() //普通函數
{
return StudentID[0];
}
int BelowNum(TScore ascore) //函數模板
{
return 0;
}
void sort() //普通函數
{
}
};
模板類的成員函數還可以在類外定義，其語法如下：：
template <
模板參數表
>
類型
類名
<
模板參數名表
>
∷函數名
(
參數表
)
{
函數體
;
}
其中：
Ø模板參數表與類模板的模板參數表相同。
Ø模板參數名表列出的是模板參數表中參數名，順序與模板參數表中的順序一致。
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模板類Student的成員函數在類外實現如下：
template
<class TNO, class TScore, int num>
class Student
{
private:
TNO StudentID[num];
TScore score[num];
public:
TNO TopStudent();
int BelowNum(TScore ascore);
void sort();
};
template <
class TNO, class TScore, int num
>
int Student<TNO, TScore, num>
::
BelowNum(TScore ascore)
{
return 0;
}
template <class TNO, class TScore, int num>
void Student<TNO, TScore, num>
::
sort()
{
}
template <class TNO, class TScore, int num>
TNO Student<TNO, TScore, num>
::
TopStudent()
{
return StudentID[0];
}
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一個類模板是具體類的抽象，在使用類模板建立對象時，才根據給定的模板參數值實例化(專門化)成具體的類，然后由類建立對象。與函數模板不同，類模板實例化只能采用顯式方式。
類模板實例化、建立對象的語法如下:
類模板實例化、建立對象的語法如下:
一個類模板是具體類的抽象，在使用類模板建立對象時，才根據給定的模板參數值實例化(專門化)成具體的類，然后由類建立對象。與函數模板不同，類模板實例化只能采用顯式方式。
類模板實例化、建立對象的語法如下:
類模板實例化、建立對象的語法如下:
類模板名
<
模板參數值表
>
對象
1,
對象
2,
…
,
對象
n;
其中：
Ø 模板參數值表的值為類型名，類型名可以是基本數據類型名，也可以是構造數
據類型名，還可以是類類型名。
Ø模板參數值表的值還可以是常數表達式，以初始化模板參數表中普通參數。
Ø模板參數值表的值按一一對應的順序實例化類模板的模板參數表。
class String {
public:
char Str[20];
};
void main()
{
Student<String, float ,100> S1;
S1.sort();
Student<long, int, 50> S2;
S2.TopStudent();
}
class Student
{
private:
String StudentID[100];
float score[100];
public:
String TopStudent();
int BelowNum(float ascore);
void sort();
};
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// p10_2.cpp * 單向鏈表的類模板 *
#include <iostream>
using namespace std;
template <class TYPE>
class ListNode
{
private:
TYPE data;
ListNode * next;
static ListNode * CurNode;
static ListNode * head;
public:
ListNode()
{
next=NULL;
head=CurNode=this;
}
ListNode(TYPE NewData)
{
data=NewData;
next=NULL;
}
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2,STL編程
STL（Standard Template Library），即標准模板庫，是一個高效的C++程序庫。STL是ANSI/ISO C++標准函數庫的一個子集，它提供了大量可擴展的類模板，包含了諸多在計算機科學領域里所常用的基本數據結構和基本算法，類似於Microsoft Visual C++中的
MFC（Microsoft Foundation Class Library）。
從邏輯結構和存儲結構來看，基本數據結構的數量是有限的。對於其中的數據結構，用戶可能需要反復的編寫一些類似的的代碼，只是為了適應不同數據的類型變化而在細節上有所出入。如果能夠將這些經典的數據結構，采用
類型參數的形式，設計為
通用的類模板和函數模板的形式，允許用戶
重復利用已有的數據結構構造自己特定類型下的、符合實際需要的數據結構，無疑將簡化程序開發，提高軟件的開發效率，這就是STL編程的基本設計思想。
邏輯層次來看，STL中體現了
泛型化程序設計（generic programming）的思想，它提倡使用現有的模板程序代碼開發應用程序，是一種代碼的重用技術（reusability）。代碼重用可以提高軟件開發人員的勞動生產率和目標系統質量，是軟件工程追求的重要目標。許多程序設計語言通過提供標准庫來實現代碼重用的機制。STL是一個通用組件庫, 它的目標是將常用的數據結構和算法標准化、通用化，這樣用戶可以直接套用而不用重復開發它們，從而提高程序設計的效率。
從
實現層次看，STL是一種
類型參數化（type parameterized）的程序設計方法，是一個基於模板的標准類庫，稱之為
容器類。每種容器都是一種已經建立完成的標准數據結構。在容器中，放入任何類型的數據，很容易建立一個存儲該類型（或類）的數據結構。
STL主要由五個部分組成，分別是容器（container）、迭代器（iterator）、適配器（adaptor）、算法（algorithm）以及函數對象（function object）。
在STL程序設計中，
容器（container）就是
通用的數據結構。容器用來承載不同類型的數據對象，就如同現實生活中，人們使用容器用來裝載各種物品一樣，但C++中的容器還存在一定的“數據加工能力”，它如同一個對數據對象進行加工的模具，可以把不同類型的數據放到這個模具中進行加工處理，形成具有一定共同特性的數據結構。例如將int型、char型或者float型放到隊列容器中，就分別生成int隊列、char型隊列或者float型隊列，它們都是隊列，具有隊列的基本特性，但是具體數據類型是不一樣的。
STL容器主要包括
向量（
vector
）、列表（
list
）、隊列（
deque
）、集合（
set/
multiset
）和映射（
map/multimap
）等。STL用模板實現了這些最常用的數據結構，並以算法的形式提供了對這些容器類的基本操作。
STL中的所有容器都是
類模板，是一個已經建立完成的抽象的數據結構，因此可以使用這些容器來存儲任何類型的數據，甚至是自己定義的類，而無需自己再定義數據結構。例如利用deque容器，就很容易建立一個隊列。
3,STL算法
1，順序容器
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容器類名
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特性
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何時使用
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頭文件
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vector
（向量）
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在內存中占有一塊連續的空間，存儲一個元素序列。可以看作一個可自動擴充的動態數組，而且提供越界檢查。可用[]運算符直接存取數據。
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需要快速查找，不在意插入/刪除的速度快慢。能使用數組的地方都能使用向量。
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<vector>
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list
（列表）
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雙向鏈接列表，每個節點包含一個元素。列表中的每個元素均有指針指向前一個元素和下一個元素。
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需要快速的插入/刪除，不在意查找的速度慢，就可以使用列表。
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< list >
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deque
（雙端隊列）
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在內存中不占有一塊連續的空間，介於向量和列表之間，更接近向量，適用於由兩端存取數據。可用[]運算符直接存取數據。
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可以提供快速的元素存取。在序列中插入/刪的速度除較慢。一般不需要使用雙端隊列，可以轉而使用vector或list。
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< deque >
|
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容器類名
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特性
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何時使用
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頭文件
|
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set
（集合）/
multiset
（多集）
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set是一個元素集合。集合中的元素按有序的方式存儲。set中沒有重復的元素，但multiset中允許有重復的元素。
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需要使用元素集合，而且對元素的查找、插入和刪除操作都較為頻繁時，就可以使用set/multiset。
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<set>
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|
map
（映射）/
multimap
（多映射）
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map是{鍵(key)，值}對的組成的集合。集合中的元素按鍵排列。multimap是允許鍵/值對有重復的集合。map和multimap的關系如同set和multiset之間的關系
|
如果希望將鍵/與值相關聯就可以使用map/muitimap。
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< map >
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算法（
algorithm
）就是一些常用的數據處理方法，如向容器中插入、刪除容器中的元素、查找容器中的元素、對容器中的元素排序、復制容易中的元素等等，這些數據處理方法是以函數模板的形式實現的實現的。
算法之美就在於它們不僅獨立於底層元素的類型，而且也獨立於所操作的容器，利用這些已經定義的算法和迭代器，程序設計人員可以方便靈活地地存取容器中存儲的各種數據元素。 在STL中，算法的“神奇之處”在於：算法並非容器的一部分，而是工作在迭代器基礎之上，通過迭代器這個“
中間人”存取容器中的元素，算法並沒有和特定的容器進行綁定。 在傳統的軟件開發方法中，算法與數據類型、數據結構緊密耦合，缺乏通用性。而STL 倡導泛型編程風格，即以通用的方式來編寫程序。STL采用C++模板機制實現了算法與數據類型的無關性。實際上，為了支持通用程序設計，STL實現了
算法與容
器（數據結構）的分離。這樣，同一算法適用於不同的容器和數據類型，成為通用性算法，可以最大限度地節省源代碼。因此STL比傳統的函數庫或類庫具有更好的代碼
重用性。
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/*******************************************
* 程序名：p10_9.cpp *
* 功 能：算法（algorithm）示例 *
*******************************************/
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T>
void print(T &con) //輸出容器中所有元素
{
if(con.empty())
cout<<"Container is empty!"<<endl;
else
{
T::iterator it; //設置迭代器
for(it=con.begin(); it!=con.end();it++)
{
cout<<*it<<" ";
}
cout<<endl;
}
}
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int main()
{
int num;
vector<char> vec_A(8); //定義容器vec_A
cout<<"Fill vec_A with 'A':"<<endl;
fill(vec_A.begin(),vec_A.end(),'A'); //填充數據元素
print(vec_A);
cout<<"Copy element of vector to vec_A:"<<endl;
char array_B[]={'B','B','B','B',};
vector<char> vec_B(array_B,array_B+4); //定義容器vec_A,並初始化
copy(vec_B.begin(),vec_B.end(),vec_A.begin()+2); //復制數據元素
print(vec_A);
cout<<"Remove 'A' from vec_A:"<<endl;
vector<char>
::iterator it;
it=remove(vec_A.begin(),vec_A.end(),'A'); //移除數據元素
vec_A.erase(it,vec_A.end()); //刪除數據元素
print(vec_A);
cout<<"Repalce 'B' with 'C':"<<endl;
replace(vec_A.begin(),vec_A.begin()+2,'B','C'); //替換數據元素
replace(vec_B.begin(),vec_B.end(),'B','X');
print(vec_A);
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cout<<"Inserting:"<<endl;
vec_A.insert(vec_A.begin(),'D'); //
插入數據元素
vec_A.insert(vec_A.end(),'A');
print(vec_A);
cout<<"Sorting:"<<endl;
sort(vec_A.begin(),vec_A.end()); //
排序
print(vec_A);
vector<char>
vec_C(vec_A.size()+vec_B.size());
cout<<"Merge vec_A and vec_B:"<<endl;
merge(vec_A.begin(),vec_A.end(),vec_B.begin(),vec_B.end(),
vec_C.begin()); //
合並
print(vec_C);
num=count(vec_C.begin(),vec_C.end(),'B'); //
統計數據元素
cout<<"Counting the number of 'B' in vec_C:"<<endl;
cout<<num<<endl;
return 0;
}
|
◇ 類模板是能根據不同參數建立不同類型對象的類，類模板中的數據成員、成員
函數的參數、成員函數的返回值可以取參數化類型。
◇ 類模板實例化是在建立對象時，根據傳入的參數類型，將類模板實例化成具
體類，然后再建立對象。
◇ 棧是一種先進后出FILO（First In Last Out）的一種結構，在程序設計中廣
泛使用棧，將棧設計成一個類模板，就可以在棧中存放任意類型的數據。
◇ 動態鏈表的插入與刪除節點的性能優於靜態數組，在程序設計中廣泛使用鏈
表，將鏈表設計成一個類模板，就可以在鏈表節點中存放任意類型的數據。
◇ STL（Standard Template Library）是C++提供的標准模板庫，它可以實現高
效的泛型程序設計。
◇ STL容器包括順序容器和關聯容器，利用容器適配器可以將順序容器轉換為新
的容器。
◇ 在STL中，算法獨立於所操作的容器，利用已經定義的算法和迭代器，用戶可
以方便靈活地地存取容器中存儲的各種數據元素。
◇ 在STL中，函數對象是由模板類產生的對象，函數對象在STL中被廣泛用作算
法中子操作的參數，使算法變得更加通用。