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今日分享：C++模板（全详解）

news 2025/8/16 13:27:32

😎【博客主页：你最爱的小傻瓜】😎

🤔【本文内容：C++模板 😍 】🤔

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C++ 模板是代码世界里的「万能诗卷」—— 它以一行行凝练的语法，写下不被类型束缚的韵律。

当你为整数铺陈逻辑，它便化作丈量数字的标尺；当你要为字符编织算法，它又变作穿引字节的丝线。不必为每种数据类型重写相似的篇章，模板早已在编译时的晨光里，为每种可能悄悄誊抄好适配的诗句它像位沉默的译者，将通用的逻辑转化为各类型能读懂的方言；又似位高明的导演，让同一套剧情框架，在不同的数据演员身上演绎出千般模样。那些被<>包裹的期待，最终都会在编译的烟火中，绽放出恰好贴合的形态 —— 这是程序员写给机器的隐喻，让代码在严谨与灵活间，找到最诗意的平衡。

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博主的自言自语：

在博主眼里，模板其实就是铁锻里面的那些模具，用不同材料能制作出类似的工具。那么代码就是材料，今天我要分享的就是模具。那么大声的喊出今天要分享的是什么？

：模板模板模板，老大！！！。重要的事情说三遍。哎嘿！。@🤠

开始模板的学习：了解模板的底层

🚀 我们在写代码的时候经常会遇到函数类型参数要接收不同类型的数据去执行，这样就会有写很多个类似函数的麻烦，但我们之前学的函数可以重载能一定程度上解决这一问题，但还是有不少的麻烦，不如用今天所要分享的模板，就拿交换功能的函数来说🚀：

函数重载：

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;
}

模板：

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

函数重载，模板。一眼望过去就能看到，模板的代码量比函数重载代码量少很多。

那么下面我们要来了解一下模板是怎么制作的。

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

模板是分两类的：1.函数模板 2.类模板。

1.函数模板：

函数模板格式：

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

返回值类型函数名(参数列表){}

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)。

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

上述代码：template <typename T>是重中之重。我们要模板的原因就是类型，只要把识别类型的事交给编译器去做就没有我们的事了，直接做个甩手掌柜，起飞。

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。

我们编译器的工作：

：老大，老大！！！既然编译器能识别类型，那么我就不要他识别，能不能行？哎嘿。

：我看你挺刑的。用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。在我们的函数实例化中，是会有：隐式实例化和显式实例化。

1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

那么之所以要显示实例化，我们用代码来理解：

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;Add(a1, a2);Add(d1, d2);/*该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅Add(a1, d1);*/// 此时有三种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化 3.定义多个TAdd(a, (int)d);
return 0;
}

在函数传参的时候我们会把两个不同类型的参数传上去，那么编译器就会识别到两个类型，这时编译器就会迷茫，不知道选那个了。（如果类型不匹配，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。）

处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化。3.定义多个T

显式实例化：（在函数名后的<>中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(void)
{int a = 10;double b = 20.0;// 显式实例化Add<int>(a, b);return 0;
}

定义多个T：（单个T，传不同类型的参数编译器识别不知道用哪个，多个就可以了）


template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{return left + right;
}
void Test()
{Add(1, 2); Add(1, 2.0);
}

：那是不是我们之后就不用写类型了，直接用模板了。

：额额额》》》

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。这要看那个更匹配。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。

// 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
}

. 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，所以说各有优势。

2.类模板：

类模板定义格式：

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

我们就拿动态顺序表：Vector

你可以将函数模板结合来看，因为类的组成里有成员函数，成员变量。

// 动态顺序表
// 注意：Vector不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
//这里只是讲一下类模板。Vector类一些功能这里没实现
template<class T>
class Vector
{ 
public :Vector(size_t capacity = 10): _pData(new T[capacity]), _size(0), _capacity(capacity){}// 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。~Vector();void PushBack(const T& data)；void PopBack()；// ...size_t Size() {return _size;}T& operator[](size_t pos)
{assert(pos < _size);return _pData[pos];}private:T* _pData;size_t _size;size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{if(_pData)delete[] _pData;_size = _capacity = 0;
}

1. 模板就是因类型不同而出的，所以与函数模板一样，类模板，将类型换成T就行。

2. 函数在外类定义时，要加模板参数列表。

类的实例化：

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类模板名，Vector<int>才是类
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

玩转模板：晋升大大怪将军。

1. 非类型模板参数

在前面已经了解了模板，但有些细节没有，接下来就是玩转模板时刻。

非类型模板参数就是相当于C语言里的define宏替换。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。

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。

namespace xin
{// 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;}；
}

2. 模板的特化

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
int main()
{Date d1(2022, 7, 7);Date d2(2022, 7, 8);cout << Less(d1, d2) << endl;Date* p1 = &d1;Date* p2 = &d2;cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误return 0;
}

当我们用一个日期类对象的指针进行比较时，会出现错误。通常指针地址的大小是随机的。

这就是我们要模板特化（写一个特殊情况的）的原因。

这种情况有很多：1. 数组类型2. 函数指针类型3. 引用类型4. 智能指针5. 容器类型6. 基本类型与自定义类型的区分。

简单的了解了一下模板特化，接下来是怎么实现。

模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

函数模板特化：

函数模板的特化步骤：

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。

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}
int main()
{cout << Less(1, 2) << endl;Date d1(2022, 7, 7);Date d2(2022, 7, 8);cout << Less(d1, d2) << endl;Date* p1 = &d1;Date* p2 = &d2;cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了return 0;
}

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。（也就是说不给模板特化，没性价比）

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

类模板特化：

分为 1.全特化 2. 偏特化

1.全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};
//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:int _d1;char _d2;
};
void TestVector()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;
}

格式：1.template<> 2.类的后面加< x,x >里面的x是要用的类型。里面的类型就不是T了，而是知道的。

2. 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本

1.部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:T1 _d1;int _d2;
};

2.参数更进一步的限制

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
}

其实所谓的特化就是将一些模板实现的函数或类无法应对特殊类型，因此要写一个适合这个特殊类型的函数或类模板。

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。

模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{Add(1, 2);Add(1.0, 2.0);return 0;
}