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第十五章. 樣板（ Template ）. 第十五章 樣板（ Template ）. 樣板是 C++ 為了方便能夠快速生產程式而提供的新功能，在最初期的 C++ 版本中，並不提供樣板機制。所謂樣板（ Template ），就是讓某些特定功能的程式如同板模般，當我們需要大量使用該功能時，直接由編譯器代為改變程式細節，以符合輸入的資料型態。
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第十五章 樣板（Template）
第十五章樣板（Template） • 樣板是C++為了方便能夠快速生產程式而提供的新功能，在最初期的C++版本中，並不提供樣板機制。所謂樣板（Template），就是讓某些特定功能的程式如同板模般，當我們需要大量使用該功能時，直接由編譯器代為改變程式細節，以符合輸入的資料型態。 • 因此，在現代化的程式設計中，大多將函式或類別設計為樣板，避免撰寫相同功能但資料型態不同的程式。在正式介紹樣板之前，請讀者注意一點，繼承與樣板都能增進程式碼重複使用率及減少程式開發時程，但樣板的對象是固定是類別和函式，而繼承僅限於類別，兩者在許多方面有根本上的不同。
大綱 • 15.1 什麼是樣板? • 15.2 函式樣板 • 15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 • 15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • 15.3 類別樣板 • 15.4 樣板的具現 • 15.5 本章回顧
15.1 什麼是樣板? • 在C語言中，程式設計師常常會遇到一個麻煩的問題，就是即使函式需求相同，但必須針對不同資料型態，設計不同的函式，例如我們想要求出絕對值，就必須設計成兩個名稱不同的函式，如下範例。
15.1 什麼是樣板? • 在初期的C++中，上述情況獲得改善，我們可以利用函式覆載(Overload)功能，將函式名稱設定為相同的abs，只要引數內容不同即可，如下範例。 • 雖然C++提供了覆載函式來解決函式名稱的問題，但仍無法解決撰寫重複程式碼的問題（雖然通常只需要複製程式碼並略為修改即可），而後期的C++則提供了樣板來解決上述問題。樣板允許保留一些資料，等到實際使用樣板時，才於編譯時期，由編譯器自行複製程式內容。
15.1 什麼是樣板? • 事實上，樣板可分為兩大類：函式樣板(Function Template)及類別樣板(Class Template)，而其目的則分別是為了加強的函式和類別的開發速度。有了樣板，我們只需預先設計一個通用的板模，然後當我們需要設計類似功能的函式或類別時，就套用這個樣板，並設定相關必要的資訊就可以了。
15.1 什麼是樣板? • 舉例來說，假設我們有一個交換函式swap函式如下，它可以作整數資料的交換。 • 在設計上述的swap函式樣板時，我們可以將程式碼內的int資料型態設定為保留資訊，當我們作整數交換時，只要套用這個樣板，並設定資料型態為int；當我們需要作字元交換，也是同樣可以套用這個樣板，只要將資料型態設定為char即可。換句話說，一個經過設計的樣板，可以讓我們節省很多撰寫類似程式碼的時間，因為編譯器將代為處理套用樣板時的函式轉換手續。
15.2 函式樣板 • C++的樣板有函式樣板與類別樣板兩種，我們先從簡單的函式樣板開始介紹，我們將函式樣板的宣告分為兩大類語法來加以介紹，即單一保留資訊的函式樣板與多保留資訊的函式樣板。
15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 • 單一保留資訊的函式樣板宣告與定義： • 單一保留資訊的函式樣板宣告語法如下： • 單一保留資訊的函式樣板定義語法如下： • 語法說明： • (1)N是欲保留的資訊，也就是能被替換的資料型態，編譯器將依據呼叫時的資料型態，產生對應的變化。 • (2)class關鍵字可改為typename。 • (3)函式回傳型態也可以宣告為N（保留資訊）。 template <class N> 函式回傳型態 函式名稱(N,N,...); template <class N> 函式回傳型態 函式名稱(N 引數1,N 引數2,...) { ...樣板內容… }
15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 • (4)由於C++是自由格式，因此常見到將宣告列改為兩行的格式，如下定義格式： • 【觀念及實用範例15-1】：實作swap函式樣板，並在呼叫函式樣板時，傳入不同的資料型態。 • 範例15-1：ch15_01.cpp（檔案位於隨書光碟 ch15\ch15_01.cpp）。 template <class N> 函式回傳型態 函式名稱(N 引數1,N 引數2,...) { ...樣板內容… }
15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 樣板(套用char資料型態): a1 = i , b1 = j Swap: a1 = j , b1 = i ------------------------- 樣板(套用int資料型態): a2 = 25 , b2 = 56 Swap: a2 = 56 , b2 = 25 ------------------------- 樣板(使用double資料型態): a3 = 0.7 , b3 = 9.3 Swap: a3 = 9.3 , b3 = 0.7 • 執行結果 • 範例說明： • (1)第11行，函式樣板宣告。第13~20行，函式樣板定義。對照上述範例，我們可以發現，定義中，僅將原本的int改寫為保留資訊T而已。
15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 • (2)當我們宣告swap為函式樣板後，每一次呼叫swap函式時，只要輸入正確的資料時，編譯器會先判斷是否為正確的指標或正確的資料型態，然後依照所判斷的資料型態自動產生相對應的程式碼。例如為了因應第35行的呼叫，編譯器會自動將樣板複製並取代保留資訊，成為下列程式碼：
15.2.1 單一保留資訊的函式樣板 • (3)當我們在呼叫函式樣板的時候，代入的引數會決定這個函式樣板的內部資料型態。因此在第35行，編譯器判斷及處理的流程如下圖。 圖15-1 編譯器判斷及處理函式樣板的流程
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • 有時候，我們想要保留的資訊不只一個的時候，C++仍允許我們建立樣板，只要將欲保留的資訊一一宣告即可，如下語法： • 多保留資訊的函式樣板宣告語法如下： • 多保留資訊的函式樣板定義語法如下： • 語法說明： • (1)N1、N2…是欲保留的資訊，引數型態則可宣告為這些保留資訊的任一種。 • (2)class關鍵字可改為typename。 • (3)函式回傳型態也可以宣告為N1或N2…….（即保留資訊之一）。 template <class N1,class N2,……….> 函式回傳型態 函式名稱(N1或N2或…,N1或N2或…,...); template <class N1,class N2,………> 函式回傳型態 函式名稱(N1或N2或… 引數1, N1或N2或… 引數2,..); { ...樣板內容… }
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • (4)假設我們有兩個保留資訊及兩個引數，則下列是一個合法的宣告範例： • (5)然而我們常常在使用函式樣板時，會不小心使用錯誤的語法，例如下列幾個錯誤範例：
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • 【觀念範例15-2】：函式樣板中包含多個保留資訊。 • 範例15-2：ch15_02.cpp（檔案位於隨書光碟 ch15\ch15_02.cpp）。
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • 執行結果 m= 3,p=5, m的p次方=243 n=1.5,p=5, n的p次方=7.59375
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • 範例說明： • (1)第11行，函式樣板宣告。第13~21行，函式樣板定義。我們在樣板中保留了兩項資訊，T1與T2，其中T2只用在引數宣告與函式定義，而T1則同時用在函式回傳值、引數宣告與函式定義。 • (2)在第27行呼叫power(m,p)時，它將會建構下列的程式碼。
15.2.2 多保留資訊的函式樣板 • (3)在第28行呼叫power(n,p)時，它將會建構下列的程式碼。 • 對於T1被引數及回傳值同時引用的部分，或許讀者會產生疑惑，在上述說明中，似乎編譯器只要確定引數的資料型態後，就決定了保留資訊應該被取代為哪一種資料型態。例如呼叫power(m,p)時，T1被確認為int，在呼叫power(n,p)時，T1被確認為double。而若我們將回傳值使用另一種型態來接收時，例如int y=power(n,p);，會是什麼樣的狀況呢？答案是會產生警告訊息，編譯器仍將T1認為是double，因此回傳double資料型態的資料，當然最終結果y仍舊是被強制轉型的整數，在上例中，y將會是7。
15.3 類別樣板 • 樣板除了可以應用於函式外，也可以應用於類別，這樣的類別稱之為『類別樣板』。經過樣板化的類別，其內的成員函式與成員變數可適用於所有的資料型態，只要將某些資訊宣告為保留資訊即可。類別樣板的宣告及定義與函式樣板大同小異，運作原理也差不多，如下所述。 • 首先讓我們先來看看類別樣板的標準宣告格式如下： • 類別樣板的定義語法如下： template <class N> class 類別名稱 { 保護等級: 函式回傳型態 函式名稱(N 引數1,N 引數2,...); //成員函式 ... N 變數名稱; //成員變數 ... }
15.3 類別樣板 • 類別樣板的成員函式，若定義於類別外部，則語法如下： • 類別樣板產生物件語法： • 語法說明： • (1)N是欲保留的資訊，如果保留資訊不只一個，也可以按照<class N1,class N2,…>等格式擴充。 template <class N> 函式回傳型態 類別樣板名稱 <N>::成員函式名稱( ) { …. 函式定義內容… } 類別樣板名稱 <保留資訊的資料型態> 物件名稱;
15.3 類別樣板 • (2)< >內的class關鍵字可改為typename。 • (3)函式回傳型態也可以宣告為保留資訊之一。 • (4)宣告類別樣板內的成員函式，並在類別外部定義成員函式時，除了必須在前面加上template <class N>，原本的類別名稱，應該改為『類別樣板名稱 <N>』。 • (5)利用類別樣板產生物件時，也同樣必須加上保留資訊的資料型態，例如<int>、<float>。 • (6)常見的類別樣板宣告錯誤範例如下： • 錯誤範例 • 和函式樣板一樣的限制，類別樣板的引數型態定義不可以在類別中重複使用，如下例的Type。
15.3 類別樣板 • 【觀念及實用範例15-3】：使用類別樣板，使得氣泡排序法可以接受各種資料型態。 • 範例15-3：ch15_03.cpp（檔案位於隨書光碟 ch15\ch15_03.cpp）。
15.3 類別樣板 • 執行結果 ----整數陣列已建立---- 請輸入第0個元素:24 請輸入第1個元素:17 請輸入第2個元素:32 請輸入第3個元素:19 24 17 32 19 --------排序後------- 17 19 24 32 ========================= ----浮點數陣列已建立---- 請輸入第0個元素:15.67 請輸入第1個元素:28.43 請輸入第2個元素:17.52 請輸入第3個元素:12.88 15.67 28.43 17.52 12.88 --------排序後------- 12.88 15.67 17.52 28.43
15.3 類別樣板 • 範例說明： • (1)第11行，類別樣板宣告。第13~23行，類別樣板定義。我們在樣板宣告保留資訊為T。 • (2)在第70行，類別樣板建立ObjX物件時，T會被指定為int後，由編譯器產生對應的類別程式碼，然後才產生物件。 • (3)在第78行，類別樣板建立ObjY物件時，T會被指定為double後，由編譯器產生對應的類別程式碼，然後才產生物件。
15.4 樣板的具現 • 在上述的範例說明中，我們不斷地說明，當呼叫函式樣板時，或透過類別樣板宣告物件時，編譯器都會產生一些程式碼。事實上，這個由編譯器自動執行的動作稱之為『樣板的具現(instantiation)』。 • 在編譯時期，編譯器會將樣板依照所給予不同型別的引數，建構出對應的函式或類別。若是經由函式呼叫而造成函式建構的動作，我們稱之為函式樣板的具現；而經過類別的生成物件而造成類別建構的動作，就稱為類別樣板的具現。函式樣板必須在具現後，才能被呼叫，而類別樣板則是必須在具現後，才能夠產生物件。 • 函式樣板的具現與類別樣板的具現可以是獨立的，但也可以有先後關係。這通常發生在類別樣板內又定義了成員函式樣板時。
15.4 樣板的具現 • 雖然類別樣板已經能夠提高非常好的程式開發效率，但如果成員函式的相似性也很高，我們也可以利用函式樣板進一步定義類別樣板的成員函式，使得程式重複性更低。而此時，定義型態的過程將具有先後的關聯性。 • 我們透過範例15-4，說明編譯器對於樣板的定義流程。範例15-4，將修改自範例15-3，將互換資料另外獨立出來成為swap成員函式，並使用函式樣板來宣告swap函式。 • 【觀念及實用範例15-4】：修改範例15-4，結合類別樣板和函式樣板。 • 範例15-4：ch15_04.cpp（檔案位於隨書光碟 ch15\ch15_04.cpp）。
15.4 樣板的具現 • 執行結果：（同範例15-3） • 範例說明： • 在類別樣板內，我們又宣告了一個成員函式樣板swap（在第20~26行）。並且在BubbleSort成員函式的第65行呼叫這個成員函式。整個編譯器在編譯過程如下： • Step1: 在第76行，遇到Sort <int> ObjX;，先決定保留資訊T的資料型態為int。 • Step2: 此時T變成了輸入引數資料型態為int的Sort類別，也就是必須將T替換為int產生類別的程式碼。 • Step3: 但編譯器欲產生類別的程式碼時，發現定義了一個成員函式樣板，因此，編譯器必須保留該位置，等到決定BubbleSort成員函式的內容時，找到swap函式樣板的呼叫時，才產生swap函式的程式碼，完成swap函式的具現後，才能夠完成Sort類別的具現。換句話說，具現的過程有如一個堆疊（先進後出），當遇到另一個更深層的具現時，則必須將更深層具現完成後，才能完成較外圍的具現。
15.5 本章回顧 • 在本章中，我們介紹了C++提供的新功能－『樣板』，善用樣板可以讓我們更有效率地開發中大型專案，減少撰寫相似程式碼的機會，本章重點整理如下： • (1)C++提供了樣板來解決相似程式碼浪費開發時程的問題。樣板允許保留一些資料，等到實際使用樣板時，才於編譯時期，由編譯器自行複製程式內容。 • (2)樣板可分為兩大類：函式樣板(Function Template)及類別樣板(Class Template)。兩者運作的方式和觀念差不多。 • (3)函式樣板的語法如下： • 單一保留資訊的函式樣板宣告語法如下： • 單一保留資訊的函式樣板定義語法如下： template <class N> 函式回傳型態 函式名稱(N,N,...); template <class N> 函式回傳型態 函式名稱(N 引數1,N 引數2,...) { ...樣板內容… }
15.5 本章回顧 • 多保留資訊的函式樣板宣告語法如下： • 多保留資訊的函式樣板定義語法如下： template <class N1,class N2,……….> 函式回傳型態 函式名稱(N1或N2或…,N1或N2或…,...); template <class N1,class N2,………> 函式回傳型態 函式名稱(N1或N2或…. 引數1, N1或N2或…. 引數2,...); { ...樣板內容… }
15.5 本章回顧 • (4)類別樣板的相關語法如下： • 類別樣板的定義語法如下： • 類別樣板的成員函式，若定義於類別外部，則語法如下： template <class N> class 類別名稱 { 保護等級: 函式回傳型態 函式名稱(N 引數1,N 引數2,...); //成員函式 ... N 變數名稱; //成員變數 ... } template <class N> 函式回傳型態 類別樣板名稱 <N>::成員函式名稱( ) { ….函式定義內容… }
15.5 本章回顧 • 類別樣板產生物件語法： • (5)在編譯時期，編譯器會將樣板依照所給予不同型別的引數，建構出對應的函式或類別，這個由編譯器自動執行的動作稱之為『樣板的具現(instantiation)』。發生的時機則發生於函式樣板的呼叫以及類別樣板產生物件時。 • (6)在類別樣板內也可以再定義成員函式的樣板。 類別樣板名稱 <保留資訊的資料型態> 物件名稱;
