如何使用C++类模板定义通用数据结构

一、什么是类模板

在C++中，类模板是一种通用的类定义，可以将类型参数化，使得该类可以适用于多种数据类型。类模板中的成员函数和成员变量是没有具体实现的，只有在使用时才被实例化。使用类模板的主要优点是可以减少代码冗余，提高代码复用性，降低维护成本。

template 
class Stack {
private:
    T* _data;
    int _top;
    int _size;
public:
    Stack(int size = 100) : _data(new T[size]), _top(-1), _size(size) {}
    ~Stack() { delete[] _data; }
    void push(T val);
    T pop();
    bool isEmpty() const { return _top == -1; }
    bool isFull() const { return _top == _size - 1; }
};

template 
void Stack::push(T val) {
    if (isFull()) {
        throw std::overflow_error("Stack is full.");
    }
    _data[++_top] = val;
}

template 
T Stack::pop() {
    if (isEmpty()) {
        throw std::underflow_error("Stack is empty.");
    }
    return _data[_top--];
}

二、类模板的使用

使用类模板需要指定具体的类型，可以采用显式实例化或隐式实例化两种方式。

显式实例化是在代码中指定类型参数，编译器会将模板代码实例化成具体类型的代码，生成可执行文件。

void testStack() {
    Stack intStack;
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    intStack.push(3);
    cout << intStack.pop() << endl;
    cout << intStack.pop() << endl;
    cout << intStack.pop() << endl; 
}

void testStack2() {
    Stack strStack;
    strStack.push("hello");
    strStack.push("world");
    cout << strStack.pop() << endl;
    cout << strStack.pop() << endl;
}

int main() {
    testStack();
    testStack2();
    return 0;
}

隐式实例化是在代码中不指定类型参数，编译器会根据函数参数推导出类型，自动实例化成具体类型的代码。

template 
void printSize(Stack s) { // 隐式实例化
    cout << "stack size = " << sizeof(s) << endl; 
}

int main() {
    Stack s;
    printSize(s);
    return 0;
}

三、通用数据结构的实现——栈

使用类模板可以轻松定义通用数据结构，例如栈、队列、链表等。

栈(Stack)是一种后进先出(LIFO)的数据结构，支持插入、弹出操作。栈可以使用数组或链表实现。下面是一个使用类模板实现的栈：

template 
class Stack {
private:
    T* _data;
    int _top;
    int _size;
public:
    Stack(int size = 100) : _data(new T[size]), _top(-1), _size(size) {}
    ~Stack() { delete[] _data; }
    void push(T val);
    T pop();
    bool isEmpty() const { return _top == -1; }
    bool isFull() const { return _top == _size - 1; }
};

template 
void Stack::push(T val) {
    if (isFull()) {
        throw std::overflow_error("Stack is full.");
    }
    _data[++_top] = val;
}

template 
T Stack::pop() {
    if (isEmpty()) {
        throw std::underflow_error("Stack is empty.");
    }
    return _data[_top--];
}

int main() {
    Stack s; // 创建一个整型栈
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);
    while (!s.isEmpty()) {
        cout << s.pop() << endl;
    }
    return 0;
}

四、总结

类模板是C++中定义通用数据结构的重要手段，能够实现类型参数化，代码复用性高。使用类模板定义的数据结构可以适用于不同的数据类型，且代码简洁，易于维护。

在实际编程中，使用类模板可以大大提高代码复用性和编程效率，是C++程序员必须掌握的技能之一。