[基础]详解C++模板类（完整实例代码）

C++模板类：通用编程的基石

引言

在C++开发中，我们经常会遇到这样的困境：如何编写既能处理int又能处理std::string的通用类？传统的面向对象编程通过虚函数和基类指针虽然能实现一定通用性，但存在类型安全风险和性能损耗。C++模板类正是为解决这类问题而生，它让代码像乐高积木一样具备"泛型"能力。

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一、模板类的核心作用

1.1 代码复用

通过模板参数化类型，一套逻辑可以适配所有类型：

template<typename T>
class Box {T item;
public:Box(T i) : item(i) {}T getItem() { return item; }
};

这个简单的盒子类可以存储任何类型，避免了为每个类型重复编写类定义。

1.2 类型安全

不同于void*的野蛮类型转换，模板在编译期进行类型检查：

Box<int> intBox(42);
int value = intBox.getItem(); // 安全无转换

1.3 性能优化

模板实例化发生在编译期，避免了运行时多态的虚函数调用开销：

// STL的std::vector<int>完全内联优化后
// 性能甚至超过手写数组

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二、模板类的进阶用法

2.1 多参数模板

支持定义多个类型参数：

template<typename Key, typename Value>
class HashMap {// 实现键值对存储
};

2.2 非类型参数

除了类型，还可以传递常量值：

template<typename T, int Size>
class StaticArray {T data[Size];
public:T& operator[](int i) { if(i >= Size) throw std::out_of_range();return data[i]; }
};

2.3 成员函数特化

可以针对特定类型定制实现：

template<>
std::string Box<std::string>::getItem() {return "\"" + item + "\""; // 添加引号
}

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三、实战场景解析

3.1 场景一：通用容器开发

需求：实现跨平台内存池
方案：

template<typename T, size_t BlockSize = 4096>
class MemoryPool {char memoryBlock[BlockSize];// 实现对象池化管理
};

3.2 场景二：算法抽象

需求：不同加密算法接口统一
方案：

template<typename CipherT>
class CryptoWrapper {
public:void encrypt(const void* in, void* out) {cipher.doEncrypt(in, out);}
private:CipherT cipher;
};

3.3 场景三：资源管理

需求：数据库连接池
方案：

template<typename ResourceT, typename PoolT = DefaultPool>
class ResourceManager {PoolT pool;
public:ResourceT* get() { return pool.acquire(); }
};

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四、可运行案例：智能指针实现

4.1 基础框架

template<typename T>
class UniquePtr {T* ptr;
public:explicit UniquePtr(T* p = nullptr) : ptr(p) {}~UniquePtr() { delete ptr; }T& operator*() { return *ptr; }T* operator->() { return ptr; }
};

4.2 防止拷贝

// C++11禁用拷贝构造
UniquePtr(const UniquePtr&) = delete;
UniquePtr& operator=(const UniquePtr&) = delete;

4.3 移动语义支持

// C++11右值引用
UniquePtr(UniquePtr&& other) noexcept : ptr(other.ptr) {other.ptr = nullptr;
}

4.4 使用演示

struct Test {void hello() { std::cout << "Hello Templates!\n"; }
};int main() {UniquePtr<Test> ptr(new Test());ptr->hello();return 0;
}
// 输出：Hello Templates!

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五、最佳实践与注意事项

5.1 分离编译问题

模板实现必须放在头文件：

// Array.hpp
template<typename T>
class DynamicArray {// 实现代码
};

5.2 显式实例化

对于常用类型提前实例化可加速编译：

template class DynamicArray<int>; // 在cpp文件中

5.3 SFINAE应用

通过启用/禁用特性实现条件编译：

template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, bool>::type
isEven(T x) { return x % 2 == 0; }

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六、模板元编程初探

模板不仅能泛化类型，还能做编译期计算：

template<int N>
struct Factorial {enum { value = N * Factorial<N-1>::value };
};template<>
struct Factorial<0> {enum { value = 1 };
};int main() {std::cout << Factorial<5>::value; // 输出120
}

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结语

模板类是C++实现泛型编程的核心武器，从STL容器到现代C++并发库，无不闪耀着模板的智慧光芒。掌握模板类不仅能让代码更简洁高效，更能培养程序员抽象建模的能力。建议读者从改造现有重复代码开始，逐步将模板技术融入日常开发实践。