【C++篇】C++模板初阶：从泛型编程到函数模板与类模板的全面解析

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前言

在C++编程中，重复编写功能相同但类型不同的代码既低效又容易出错。例如，实现一个通用的交换函数时，若为每种类型都重载一次，代码将臃肿且难以维护。
C++模板技术应运而生，它通过“泛型编程”的思想，允许开发者定义类型无关的代码框架，由编译器自动生成具体类型的版本。本文将深入浅出地解析泛型编程的核心思想、函数模板的原理与使用技巧，以及类模板的定义与实例化方法，帮助你掌握这一提升代码复用性与维护性的利器。

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一、泛型编程

如何才能实现一个可以通用的交换函数呢？

可以通过函数重载来实现：

void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
	double temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
	char temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
......

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个不好的地方：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那有没有什么解决办法呢？

其实在C++中，我们可以让编译器来帮我们解决这个问题：告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码。

这个模子就是模板。

模板分为两类：函数模板和类模板

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

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二、函数模板

1. 函数模板概念

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。
是不是感觉有点晦涩，没关系，且听我娓娓道来😃

2. 函数模板的定义格式

template<typename T1,typename T2,……,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表)
{}

实例：

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
	T temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

💡：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

3. 函数模板原理

函数模板是一个蓝图，它本身并非函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。

例如：当用int类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为int类型，然后产生一份专门处理int类型的代码。

4.函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，就称为函数模板的实例化。

• 函数模板实例化生成具体函数
• 函数模板根据调用，自己推导模板参数的类型，实例化出对应的函数

实例化分为两种：

1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
   上文的交换函数模板就是隐式实例化。
2. 显示实例化：在函数名后用<>指定模板参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	// 显式实例化
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

无需推演，手动指定，若实参与指定类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

模板参数的匹配原则

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2);// 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
	Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板函数。
3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换

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三、类模板

1.类模板的定义格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	// 类内成员定义
};

注意：模板类的成员函数在类外定义时，需要声明（每一个类外定义的成员函数都需要）

Stack类实例（部分）：

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 3);

	void Push(const T& data);

	// 其他方法...

	~Stack()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = NULL;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}

private:
	T* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};


template<class T>//声明
Stack<T>::Stack(size_t capacity)
{
	_array = new T[capacity];
	_capacity = capacity;
	_size = 0;
}

template<class T>//声明
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// CheckCapacity();
	_array[_size] = data;
	_size++;
}

2. 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同：
类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

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总结

C++模板技术通过将类型参数化，极大地简化了代码的编写和维护。

本文的核心要点：

1. 泛型编程：通过模板实现代码的通用性，避免重复造轮子。
2. 函数模板：
   • 定义时使用template<typename T>声明类型参数，编译器根据实参隐式或显式生成具体函数。
   • 优先匹配非模板函数，但模板能生成更优版本时（如支持不同类型参数），编译器会选择模板。
3. 类模板：
   • 类外定义成员函数需附加模板参数列表（如template<class T> Vector<T>::~Vector()）。
   • 实例化时需显式指定类型（如Vector<int>），模板类名本身并非具体类型。

模板的灵活性和高效性使其成为C++中不可或缺的特性，但也需注意避免隐式类型转换的陷阱，合理使用显式实例化。掌握模板技术，不仅能写出更简洁的代码，还能为后续学习STL等高级库打下坚实基础。

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行动起来：尝试用函数模板重写你的旧代码，感受“懒出风格，懒出境界”的编程哲学吧！🚀