【C++】反向迭代器仿函数模板进阶

news2024/11/18 12:32:52

反向迭代器&仿函数&模板进阶

  • 一，反向迭代器
    • 1. 什么是反向迭代器
    • 2. 模拟实现
    • 3. 如何使用
  • 二，仿函数
    • 1. 仿函数的概念
    • 2. 仿函数的用法
  • 三，模板
    • 1. 非类型模板参数
    • 2. 模板的特化
      • 2.1 特化概念
      • 2.2 函数模板特化
      • 2.3 类模板特化
        • 2.3.1 全特化
        • 2.3.2 偏特化
    • 3. 模板分离编译

一，反向迭代器

1. 什么是反向迭代器

在前面的讲解中我们可以利用迭代器来遍历容器，迭代器有正向迭代器和反向迭代器，在前面的模拟实现中我们都实现是正向迭代器，在这里我们来模拟实现一下反向迭代器。

2. 模拟实现

上一讲我们知道了适配器的概念，其可以将底层的容器封装成自己所需的容器。这里反向迭代器的实现也可以用适配器的方式实现。

具体来说就是将反向迭代器写成一种泛型的模板类，通过传入不同容器的正向迭代器来适配出反向迭代器。

template<class Iterator,class Ref,class Ptr>
struct Reverse_iterator {
		
	typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;//Ref-->const T&,Ptr-->const T*
	Iterator _cur;

	//...
}；

对于其他的重载operator--或者operator++我们也只需要稍作修改即可

template<class Iterator,class Ref,class Ptr>
struct Reverse_iterator {
		
	typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;//Ref-->const T&,Ptr-->const T*
	Iterator _cur;

	Reverse_iterator(Iterator lt) 
		:_cur(lt)
	{}

	//前置++
	Self& operator++() {
		--_cur;
		return *this;
	}

	//后置++
	Self& operator++(int) {
		Self tmp = _cur;
		--_cur;
		return *this;
	}

	//前置--
	Self& operator--() {
		++_cur;
		return *this;
	}

	//后置--
	Self& operator--(int) {
		Self tmp = _cur;
		++_cur;
		return *this;
	}

	Ref operator*() {
		Iterator tmp = _cur;
		--tmp;//这里--tmp是为了和正向迭代器对称
		return *tmp;
	}

	Ptr operator->() {
		return &(operator*());
	}

	bool operator!=(const Self& s) {
		return _cur != s._cur;
	}
	bool operator==(const Self& s) {
		return _cur == s._cur;
	}
};

3. 如何使用

以我们先前模拟实现的list为例，我们在list的类中声明反向迭代器时在对应的模板参数传入list的正向迭代器，再实现相应的反向迭代器的相关操作就可以了。

template<class T>
class mylist {
	typedef ListNode<T> Node;//方便阅读
	
public:
	typedef List_Iterator<T,T&,T*> iterator;//写成公有,类外也可以访问
	typedef List_Iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

	typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
	typedef Reverse_iterator<const_iterator,const T&,const T*> const_reverse_iterator;

注：根据上面写的反向迭代器的适配器模板参数，传入的是list的迭代器，如果要实现其他容器的反向迭代器就传入相应的迭代器。

同时，根据正向迭代器来实现反向迭代器的相应的接口

reverse_iterator rbegin() {
	return reverse_iterator(end());
}

reverse_iterator rend() {
	return reverse_iterator(begin());
}

二，仿函数

1. 仿函数的概念

仿函数其实就是一个可以像函数一样调用的类，这个类需要重载()
在上一讲中我们知道优先队列默认大堆的原因是其默认的仿函数是less，按升序存放，与之对应的是greater，如果传入的是greater则优先队列会是小堆，按降序存放。

下面我们借助模拟实现优先队列来具体讲解仿函数。

2. 仿函数的用法

在上一讲我们直接写了代码来控制向上调整和向下调整是建的大堆还是小堆，这里我们用仿函数来实现

我们先写出这两个仿函数的类，并重载()

template<class T>
class Less {
public:
	bool operator()(const T& x,const T& y) {
		return	x < y;
	}
};

template<class T>
class Greater {
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y) {
		return x > y;
	}
};

然后我们将其嵌入到建堆算法中，先定义出这个类的对象，然后在判断时调用这个类，可以看到下面代码中com(_con[parent],_con[child])这句就是调用了仿函数，像函数一样调用的类，

//向上调整
void Adjust_up(int child) {
	Compare com;
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0) {
		//if(_con[child] > _con[parent])
		if (com(_con[parent],_con[child]))//默认大堆 
		{					
			swap(_con[child], _con[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else {
			break;
		}
	}
}

void Adjust_down(size_t parent) {
	Compare com;
	size_t child = parent * 2 + 1;
	while (child < _con.size()) {
		if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child],_con[child + 1])) {
			++child;//找到大的那个孩子节点
		}
		//if(_con[parent] < _con[child])
		if (com(_con[parent],_con[child])) {
			swap(_con[child], _con[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else {
			break;
		}
	}
}

三，模板

前面我们讲过模板的基本用法，现在我们来进一步学习一下模板

1. 非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参

类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

非类型形参：就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用

看下面的代码：这里的 N 就是非类型模板参数

// 定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
class array
{
public:
	T& operator[](size_t index)
	{
		return _array[index];
	}
	const T& operator[](size_t index)const
	{
		return _array[index];
	}
	size_t size()const
	{
		return _size;
	}
	bool empty()const
	{
		return 0 == _size;
	}
private:
	T _array[N];
	size_t _size;
}；

注意：

  1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
  2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果

2. 模板的特化

2.1 特化概念

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结
果，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

举个例子，看下面的代码：

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

class Date{
public:
	Date(int year,int month,int day)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
		{}
	//....
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

根据以上的代码可以看出Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。即在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

模板特化分为函数模板特化和类模板特化。

2.2 函数模板特化

函数模板的步骤是：

  1. 必须要先有一个基础的函数模板
  2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
  3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
  4. 函数形参表必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

以上面的例子来说，如果想要比较Date的日期，可以堆Less进行特化，调用时会走特化的版本：

template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

class Date{
public:
	Date(int year,int month,int day)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
		{}
	//....
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果正确
	return 0;
}

但是，有一种便捷的方法，那就是直接重载一个。
一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出

如下：

bool Less(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给
出，因此函数模板不建议特化。

2.3 类模板特化

特化又分为全特化和偏特化

2.3.1 全特化

全特化就是将模板参数全部确定

template<>
class Date<int, char>{
public:
	Date()
	{}
	//....
private:
	int _a1;
	char _a2;
};
2.3.2 偏特化

偏特化就是针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

偏特化有两种表现形式：

部分特化：将模板参数的一部分特化

template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() {
		cout<<"Data<T1, int>" <<endl;
	}
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

这个时候，当实例化对象时只要传入的第二个模板参数是int就会进行部分特化

参数更进一步的限制：偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data() {
		cout<<"Data<T1*, T2*>" <<endl;
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout<<"Data<T1&, T2&>" <<endl;
	}	
private:
	const T1 & _d1;
	const T2 & _d2;
};
void test2 ()
{
	Data<double , int> d1; // 调用特化的int版本
	Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
	Data<int *, int*> d3; // 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

3. 模板分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式

在这里不建议将模板的声明和定义分离，直接写在一个头文件就可以。

至此我们终于将C++中STL容器讲解完并且模拟实现了只要的接口，初步感受了C++面向对象编程的优点，后面我们会带来更加深入的C++的知识，请各位看官持续关注。
在这里插入图片描述

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