C++从入门到实战（十三）C++函数模板与类模板初阶讲解

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前言

• 在上一篇博客中，我们围绕 C/C++ 内存管理展开讨论，深入解析了内存分布模型、C 与 C++ 内存管理的核心差异，并初步认识了 C++ 中new与delete的基本用法，为理解 C++ 内存管理体系打下基础。
• 从本文开始，我们将暂别内存管理主题，转而聚焦 C++ 模板编程的核心模块 ——函数模板初阶

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一、为什么需要模板

1. 函数重载的问题

在C++里，要是你想实现交换两个变量值的功能，对不同类型的变量（像int、double、char），就得写不同的Swap函数。

• 就像下面这样：

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;}

不过，这种函数重载的做法存在一些弊端：

• 代码复用率低：这些重载函数只是处理的变量类型不同，代码的逻辑是一样的。要是以后有新的类型，就得手动再写对应的Swap函数。
• 可维护性差：如果其中一个Swap函数出了问题，可能所有重载函数都得检查一遍，因为它们的代码逻辑本质相同，一处出错可能其他地方也有类似问题。

2. 泛型编程和模板的作用

为了解决上面的问题，C++引入了泛型编程的概念。

• 泛型编程的目标是编写和具体类型无关的通用代码，以此实现代码复用。而模板就是泛型编程的基础。

可以把模板想象成一个模具。当你需要不同类型的具体代码时，就往这个模具里填入不同的“材料”（也就是类型），这样就能得到不同“材料”的“铸件”（也就是具体类型的代码）。

比如，使用模板来实现Swap函数：

现在看一下，后面我们会详细讲解

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

这里的template <typename T>就声明了一个模板，T是一个类型参数，它代表任意类型。在使用这个Swap函数时，编译器会根据传入的变量类型，自动用具体类型替换T，生成对应的代码。这样就不用为每种类型都写一个单独的函数，既提高了代码复用率，也让代码更易于维护。

二、函数模板

• 函数模板就像是一个函数家族，它和具体的类型没关系。在使用的时候，会根据传入的实参类型，生成特定类型的函数版本。

2.1 函数模板格式

函数模板的定义格式是：template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>，后面接着返回值类型、函数名和参数列表。

• 比如Swap函数模板：

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

这里的typename是用来定义模板参数的关键字，也能用class，但不能用struct代替class

#include <iostream>
using namespace std;template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{T temp = left;left = right;right = temp;
}
int main() {int a = 5, b = 10;cout << "Before swap: a = " << a << ", b = " << b << endl;Swap(a, b);  // 调用模板函数，传入int类型的参数cout << "After swap: a = " << a << ", b = " << b << endl;return 0;
}

2.2 函数模板的原理

• 函数模板就像一个蓝图，它本身不是真正的函数，而是让编译器根据使用方式生成特定类型函数的模具。

• 这样就把原本我们要做的重复工作交给了编译器。

• 在编译阶段，编译器会根据传入的实参类型，推演出对应的类型，然后生成专门处理该类型的代码。
  

• 例如用double类型使用模板时，编译器会把T确定为double类型，生成处理double类型的代码

2.3 函数模板的实例化

• 用不同类型的参数使用函数模板，就叫做函数模板的实例化。
• 分为隐式实例化和显式实例化。

（1）隐式实例化：

让编译器根据实参来推导出模板参数的实际类型。比如Add函数模板：

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}

#include <iostream>
using namespace std;template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;cout << Add(a1, a2) << endl;cout << Add(d1, d2) << endl;
}

• 当我们写成这样时

 int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;Add(a1, d1);

• 编译器会报错，因为编译器无法确定T是int还是double
• 处理方式：需要自己强制转换
  
• 在模板里，编译器一般不会进行类型转换，怕出问题。

（2）显式实例化：

在函数名后的<>里指定模板参数的实际类型。

• 比如：

int main(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试隐式类型转换，转换不成功就会报错

#include <iostream>
using namespace std;template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}int main(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化cout << Add<int>(a, b) << endl;return 0;
}

2.4 模板参数的匹配原则

1. 非模板函数与同名函数模板共存

• 在 C++ 里，一个非模板函数和同名的函数模板能够同时存在。
• 而且函数模板可以实例化为与非模板函数相同功能的函数。

#include <iostream>// 专门处理 int 类型的加法非模板函数
int Add(int left, int right) {return left + right;
}// 通用加法函数模板
template<class T>
T Add(T left, T right) {return left + right;
}int main() {// 调用 Add(1, 2)，会和非模板函数匹配std::cout << "调用 Add(1, 2) 的结果: " << Add(1, 2) << std::endl;// 调用 Add<int>(1, 2)，会调用编译器特化的 Add 版本std::cout << "调用 Add<int>(1, 2) 的结果: " << Add<int>(1, 2) << std::endl;return 0;
}

在上述代码中，定义了一个专门处理 int 类型的非模板 Add 函数，以及一个通用的 Add 函数模板。

• 当调用 Add(1, 2) 时，由于实参类型是 int，编译器会优先选择非模板函数。而调用 Add<int>(1, 2) 时，明确指定了使用函数模板，编译器会对模板进行实例化，生成处理 int 类型的函数。

2. 调用时的优先选择规则

当非模板函数和同名函数模板其他条件相同时，调用时会优先选择非模板函数。

• 不过，要是模板能产生更匹配的函数，就会选择模板。下面通过代码来进一步说明：

#include <iostream>// 专门处理 int 类型的加法非模板函数
int Add(int left, int right) {return left + right;
}// 通用加法函数模板，可处理不同类型的参数
template<class T1, class T2>
auto Add(T1 left, T2 right) {return left + right;
}int main() {// 调用 Add(1, 2)，和非模板函数完全匹配std::cout << "调用 Add(1, 2) 的结果: " << Add(1, 2) << std::endl;// 调用 Add(1, 2.0)，模板函数能生成更匹配的版本std::cout << "调用 Add(1, 2.0) 的结果: " << Add(1, 2.0) << std::endl;return 0;
}

在这段代码中，调用 Add(1, 2) 时，实参类型都是 int，与非模板函数完全匹配，所以会调用非模板函数。

• 而调用 Add(1, 2.0) 时，实参类型分别是 int 和 double，非模板函数无法直接匹配，此时模板函数能生成更匹配的版本，编译器就会选择模板函数进行实例化并调用。

3. 类型转换规则差异

模板函数不允许自动类型转换，而普通函数可以进行自动类型转换。

#include <iostream>// 普通加法函数
int Add(int left, int right) {return left + right;
}// 函数模板
template<class T>
T Add(T left, T right) {return left + right;
}int main() {int a = 1;double b = 2.0;// 普通函数可以进行自动类型转换std::cout << "普通函数调用 Add(a, b) 的结果: " << Add(a, b) << std::endl;// 模板函数不允许自动类型转换，下面这行代码会报错// std::cout << "模板函数调用 Add(a, b) 的结果: " << Add(a, b) << std::endl;// 若要使用模板函数，需手动进行类型转换std::cout << "模板函数调用 Add(a, static_cast<int>(b)) 的结果: " << Add(a, static_cast<int>(b)) << std::endl;return 0;
}

在上述代码中，调用普通函数 Add(a, b) 时，编译器会自动将 double 类型的 b 转换为 int 类型。

• 而调用模板函数 Add(a, b) 时，由于模板函数不允许自动类型转换，会导致编译错误。若要使用模板函数，需要手动进行类型转换，如 Add(a, static_cast<int>(b))。

三、类模板

3.1 类模板是什么？

• 想象你要做一个 “栈”（Stack）类，用来存储数据。

• 如果数据可能是整数、小数、字符等不同类型，难道要为每种类型写一个独立的Stack类吗？

• 类模板就是解决这个问题的 “通用模具”：它定义一个与类型无关的类，通过传入具体类型，生成针对该类型的专属类。

3.2 类模板的定义格式

template <class T1, class T2, ..., class Tn> // 模板参数列表，T是类型占位符
class 类模板名 {// 类的成员（变量/函数）可以使用T1、T2等模板参数// 例如：成员变量类型是T，成员函数参数类型是T&
};

#include <iostream>
using namespace std;template <typename T> // 等价于template <class T>，T代表任意类型
class Stack {
public:// 构造函数：初始化数组和容量Stack(size_t capacity = 4) {_array = new T[capacity]; // 数组元素类型是T_capacity = capacity;_size = 0;}// 声明成员函数（参数类型是T&）void Push(const T& data); // 向栈中添加数据private:T* _array; // 存储数据的数组，类型是T*size_t _capacity; // 容量size_t _size; // 已存储元素数量
};// 类外定义成员函数时，需要再次指定模板参数
template <class T> // 必须重复模板参数声明
void Stack<T>::Push(const T& data) { // 用Stack<T>表明这是T类型的成员函数if (_size < _capacity) {_array[_size] = data; // 存入数据，类型是T_size++;}
}

3.3 类模板的实例化：从 “模具” 生成具体类

类模板本身不是真正的类，必须通过实例化指定具体类型，才能生成可用的类。

• 语法：类模板名<具体类型> 对象名;
• 显式指定类型：必须在类名后用<>明确写出类型（不能像函数模板那样隐式推导）。
• 生成专属类：每个不同的类型实例化，都会生成一个独立的类。
  例如上面代码中的

int main() {Stack<int> st1;    // 实例化出存储int的栈类，生成Stack<int>类Stack<double> st2; // 实例化出存储double的栈类，生成Stack<double>类st1.Push(10);      // 向int栈中添加数据st2.Push(3.14);    // 向double栈中添加数据return 0;
}

• Stack是模板名，不是类型；Stack才是具体的类型（就像 “模具压出的产品”）。
• 每个实例化的类（如Stack<int>、Stack<double>）都是独立的，互不干扰。

3.4 类模板的注意事项

1.模板参数声明不能省略

• 在类外定义成员函数时，必须像template <class T>一样重复声明模板参数，否则编译器不知道T是什么。

2. 声明和定义不能分离到.h 和.cpp

• 模板需要在编译阶段根据实例化的类型生成代码，如果声明在.h、定义在.cpp，编译器可能找不到定义，导致链接错误。

3. 支持多个模板参数

• 可以定义多个类型参数，例如：

template <class T, class U> // 两个类型参数T和U
class Pair {T first;U second;
};
Pair<int, double> p(10, 3.14); // 实例化时传入两个类型

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以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索C++中STL更多精彩内容。

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