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34、不一樣的C++系列--陣列類模板

阿新 • • 發佈：2019-01-03

陣列類模板

首先先了解一個小知識點：
模板引數可以是數值型引數（非型別引數）,例如這樣：

template
<typename T, int N>
void func()
{
    //使用模板引數定義區域性陣列
    T a[N];
}

//使用
func<double, 10>();

這種數值型模板引數也有很多限制：

  • 變數不能作為模板引數
  • 浮點數不能作為模板引數
  • 類物件不能作為模板引數
  • ……..

本質：模板引數是在編譯階段被處理的單元，因此，在編譯階段必須準確無誤的唯一確定。

瞭解完數值型模板引數這個知識點以後，再來做一個面試題：

用一個最高效的方法求1+2+3+4+....+N的值！

或許大家會想到使用一個迴圈累加、遞迴、或者直接使用公式一步就可以得到結果。但這裡介紹一個最高效的辦法，和上面的小知識點有關：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

//定義一個函式模板
template
< typename T, int N >
void func()
{
    T a[N] = {0};

    int sum = 0;
    int i = 0;

    for(i=0; i<N; i++)
    {
        a[i] = i;
    }

    for
 
(i=0; i<N; i++)
    {
        sum += a[i];
    }
    sum += i;

    cout << "func() " << N << " = "<< sum << endl;
}

//定義函式模板
template
< int N >
class Sum
{
public:
    //遞迴
    static const int VALUE = Sum<N-1>::VALUE + N;
};

//定義函式模板，引數直接固定，且為數值
template
< >
class
 
 Sum < 1 >
{
public:
    static const int VALUE = 1;
};

int main()
{
    func<int, 10>();
    func<int, 100>();

    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 10 = " << Sum<10>::VALUE << endl;
    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 100 = " << Sum<100>::VALUE << endl;

    return 0;
}

輸出結果為：

func() 10 = 55
func() 100 = 5050
1 + 2 + 3 + ... + 10 = 55
1 + 2 + 3 + ... + 100 = 5050

是不是會有疑問，程式碼中表述了2中方式的求值過程。第一種是正常的方法，直接for迴圈來累加求值；第二種是使用函式模板遞迴來求值。可是這兩種方式沒有什麼不同呀！

其實這裡是有區別的，我們都知道對於函式模板編譯器是分兩次編譯。那在這裡對於func函式模板，第一次編譯是編譯函式模板本身，第二次是替換引數後的程式碼，也就是說最終的值是在執行期main函式中呼叫這個函式，傳入引數，然後求值；那對於sum函式模板，就不一樣了，第一次是編譯函式模板本身，但是這裡是使用遞迴，那就是說第一次編譯的時候就已經把值求出來，第二次編譯是有一個靜態變數存在函式體中。

對於兩種方法，第一個是在執行期求值，會消耗掉計算量，第二個是在編譯器就求出來了，執行期直接輸出，不消耗任何計算量。所以第二個方法更高效。

最後在這裡用程式碼闡述array類的內部實現過程，分兩種實現，一種是在棧上開闢空間，一種是在堆上開闢空間：

在棧上開闢空間演示（Array.h）

#ifndef _ARRAY_H_
#define _ARRAY_H_

template
< typename T, int N >
class Array
{
    //array類成員變數，為一個數組
    T m_array[N];
public:
    //獲取長度
    int length();
    //設定某一個索引的值
    bool set(int index, T value);
    //獲取某一個索引的值
    bool get(int index, T& value);
    //使用[]來獲取某一個索引的值
    T& operator[] (int index);
    T operator[] (int index) const;
    //解構函式
    virtual ~Array();
};

//設定某一個索引的值
template
< typename T, int N >
int Array<T, N>::length()
{
    return N;
}

//設定某一個索引的值
template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);

    if( ret )
    {
        m_array[index] = value;
    }

    return ret;
}

//獲取某一個索引的值
template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);

    if( ret )
    {
        value = m_array[index];
    }

    return ret;
}

//使用[]來獲取某一個索引的值
template
< typename T, int N >
T& Array<T, N>::operator[] (int index)
{
    return m_array[index];
}

//使用[]來獲取某一個索引的值
template
< typename T, int N >
T Array<T, N>::operator[] (int index) const
{
    return m_array[index];
}

template
< typename T, int N >
Array<T, N>::~Array()
{

}

#endif

在堆上開闢空間演示（HeapArray.h）

#ifndef _HEAPARRAY_H_
#define _HEAPARRAY_H_

//定義類模板
template
< typename T >
class HeapArray
{
private:
    //陣列長度 外界不可訪問
    int m_length;
    //陣列指標
    T* m_pointer;
    //設定長度
    HeapArray(int len);
    //拷貝構造
    HeapArray(const HeapArray<T>& obj);
    //構造
    bool construct();
public:
    //初始化類和申請陣列空間
    static HeapArray<T>* NewInstance(int length); 
    //獲取長度
    int length();
    //獲取某個索引的值
    bool get(int index, T& value);
    //設定某個索引的值
    bool set(int index ,T value);
    //使用[]符號來獲取某個索引的值
    T& operator [] (int index);
    T operator [] (int index) const;
    //獲取當前類物件指標
    HeapArray<T>& self();
    ~HeapArray();
};

template
< typename T >
HeapArray<T>::HeapArray(int len)
{
    m_length = len;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::construct()
{   
    m_pointer = new T[m_length];

    return m_pointer != NULL;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>* HeapArray<T>::NewInstance(int length) 
{
    //初始化一個類
    HeapArray<T>* ret = new HeapArray<T>(length);
    //為類中的陣列申請堆空間
    if( !(ret && ret->construct()) ) 
    {
        delete ret;
        ret = 0;
    }

    return ret;
}

template
< typename T >
int HeapArray<T>::length()
{
    return m_length;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());

    if( ret )
    {
        value = m_pointer[index];
    }

    return ret;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());

    if( ret )
    {
        m_pointer[index] = value;
    }

    return ret;
}

template
< typename T >
T& HeapArray<T>::operator [] (int index)
{
    return m_pointer[index];
}

template
< typename T >
T HeapArray<T>::operator [] (int index) const
{
    return m_pointer[index];
}

template
< typename T >
HeapArray<T>& HeapArray<T>::self()
{
    return *this;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>::~HeapArray()
{
    delete[]m_pointer;
}

#endif

呼叫函式（main.cpp）：

#include <iostream>
#include <string>
#include "Array.h"
#include "HeapArray.h"

using namespace std;

int main()
{
    Array<double, 5> ad;

    for(int i=0; i<ad.length(); i++)
    {
        ad[i] = i * i;
    }

    for(int i=0; i<ad.length(); i++)
    {
        cout << ad[i] << endl;
    }

    cout << endl;

    HeapArray<char>* pai = HeapArray<char>::NewInstance(10);

    if( pai != NULL )
    {
        HeapArray<char>& ai = pai->self();

        for(int i=0; i<ai.length(); i++)
        {
            ai[i] = i + 'a';
        }

        for(int i=0; i<ai.length(); i++)
        {
            cout << ai[i] << endl;
        }
    }

    delete pai;

    return 0;
}

執行結果為：

0
1
4
9
16

a
b
c
d
e
f
g
h
i
j

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