如何使用C++類模板定義通用數據結構

一、什麼是類模板

在C++中，類模板是一種通用的類定義，可以將類型參數化，使得該類可以適用於多種數據類型。類模板中的成員函數和成員變量是沒有具體實現的，只有在使用時才被實例化。使用類模板的主要優點是可以減少代碼冗餘，提高代碼復用性，降低維護成本。

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、類模板的使用

使用類模板需要指定具體的類型，可以採用顯式實例化或隱式實例化兩種方式。

顯式實例化是在代碼中指定類型參數，編譯器會將模板代碼實例化成具體類型的代碼，生成可執行文件。

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;
}

隱式實例化是在代碼中不指定類型參數，編譯器會根據函數參數推導出類型，自動實例化成具體類型的代碼。

template 
void printSize(Stack s) { // 隱式實例化
    cout << "stack size = " << sizeof(s) << endl; 
}

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

三、通用數據結構的實現——棧

使用類模板可以輕鬆定義通用數據結構，例如棧、隊列、鏈表等。

棧(Stack)是一種後進先出(LIFO)的數據結構，支持插入、彈出操作。棧可以使用數組或鏈表實現。下面是一個使用類模板實現的棧：

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; // 創建一個整型棧
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);
    while (!s.isEmpty()) {
        cout << s.pop() << endl;
    }
    return 0;
}

四、總結

類模板是C++中定義通用數據結構的重要手段，能夠實現類型參數化，代碼復用性高。使用類模板定義的數據結構可以適用於不同的數據類型，且代碼簡潔，易於維護。

在實際編程中，使用類模板可以大大提高代碼復用性和編程效率，是C++程序員必須掌握的技能之一。