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news 2025/11/9 18:53:48

时尚类网站建设,国外移动网站设计,网站建设需求意见征求表,网站建设的原则流程C 类模板 (Class Templates) 类模板允许定义通用的类，支持多种数据类型，是静态多态（Static Polymorphism） 的核心机制之一。需要先了解函数模版， 再通过以下代码示例和底层原理，详细了解类模板的定义、实…

C++ 类模板 (Class Templates)

类模板允许定义通用的类，支持多种数据类型，是 静态多态（Static Polymorphism） 的核心机制之一。需要先了解函数模版，再通过以下代码示例和底层原理，详细了解类模板的定义、实例化、特化及其高级用法。

1. 类模板基础

1.1 定义与语法

类模板通过 template 关键字声明，使用类型参数 T 表示泛型类型：

template <typename T>
class Box {
private:T content;
public:Box(T content) : content(content) {}T getContent() const { return content; }
};

typename T 表示类型参数（也可用 class T，二者等价）。
模板参数可定义多个（如 template <typename T, int N>）。

1.2 实例化类模板

编译器根据使用的类型 隐式实例化 具体类：

int main() {Box<int> intBox(42);          // 隐式实例化为 Box<int>Box<string> strBox("Hello"); // 隐式实例化为 Box<string>cout << intBox.getContent() << endl; // 42cout << strBox.getContent() << endl; // Helloreturn 0;
}

1.3 底层原理

编译器为每个类型生成独立类（如 Box<int> 和 Box<string>）。
符号表中生成唯一名称（Name Mangling），例如：
- Box<int> → _3BoxIiE
- Box<string> → _3BoxINSt7__cxx1112basic_stringIcSt11char_traitsIcESaIcEEEE

查看符号名（Linux/g++）：

g++ -c main.cpp -o main.o
nm main.o | grep Box

输出示例：

00000000 W _ZN3BoxIiEC1Ei      # Box<int>::Box(int)
00000000 W _ZN3BoxIiE10getContentEv # Box<int>::getContent()

W: 弱符号（Weak Symbol），允许重复定义，链接时合并

2. 成员函数的外部定义

2.1 类内定义

成员函数直接在类内定义时，默认是内联的：

template <typename T>
class Box {
public:Box(T content) : content(content) {}T getContent() const { return content; } // 类内定义
private:T content;
};

2.2 类外定义

若成员函数在类外定义，需显式声明模板参数：

template <typename T>
class Box {
public:Box(T content);T getContent() const;
private:T content;
};// 构造函数外部定义
template <typename T>
Box<T>::Box(T content) : content(content) {}// 成员函数外部定义
template <typename T>
T Box<T>::getContent() const { return content; }

3. 类模板特化

3.1 全特化 (Full Specialization)

为特定类型提供定制实现：

// 通用模板
template <typename T>
class Box {
public:string getType() const { return "Generic Box"; }
};// 全特化（针对 double）
template <>
class Box<double> {
public:string getType() const { return "Double Box"; }
};int main() {Box<int> intBox;    // 使用通用模板Box<double> dblBox; // 使用全特化版本cout << intBox.getType() << endl; // "Generic Box"cout << dblBox.getType() << endl; // "Double Box"return 0;
}

3.2 偏特化 (Partial Specialization)

对部分模板参数进行特化：

// 通用模板
template <typename T, typename U>
class Pair {
public:string getType() const { return "Generic Pair"; }
};// 偏特化（当两个类型相同时）
template <typename T>
class Pair<T, T> {
public:string getType() const { return "Same Type Pair"; }
};int main() {Pair<int, double> p1; // 通用模板Pair<int, int> p2;    // 偏特化版本cout << p1.getType() << endl; // "Generic Pair"cout << p2.getType() << endl; // "Same Type Pair"return 0;
}

4. 静态成员与类模板

静态成员在每个实例化的类中独立存在：

template <typename T>
class Counter {
public:static int count;Counter() { count++; }
};// 初始化静态成员
template <typename T>
int Counter<T>::count = 0;int main() {Counter<int> a, b;Counter<double> c;cout << Counter<int>::count << endl;   // 2cout << Counter<double>::count << endl; // 1return 0;
}

5. 高级主题

5.1 友元函数与类模板

在类模板中声明友元函数：

template <typename T>
class Box {
private:T content;
public:Box(T content) : content(content) {}// 声明友元函数（需为模板）friend ostream& operator<<(ostream& os, const Box<T>& box) {os << box.content;return os;}
};int main() {Box<int> box(42);cout << box << endl; // 42return 0;
}

5.2 变长模板参数（C++11）

支持任意数量的模板参数：

template <typename... Args>
class Tuple {};int main() {Tuple<int, double, string> t;return 0;
}

5.3 类型别名（C++11 using）

简化模板类名：

template <typename T>
using Vec = std::vector<T>;int main() {Vec<int> numbers = {1, 2, 3};return 0;
}

6. 两阶段编译与错误检查

6.1 阶段一（模板定义阶段）

检查语法和非依赖名称。
例如，模板中的语法错误（如 int x = "error";）直接报错。

6.2 阶段二（模板实例化阶段）

生成具体类代码，检查依赖名称。
例如，调用未定义的成员函数 T::foo()，仅在实例化时报告错误。

7. 显式实例化控制

减少重复编译开销：

// 显式实例化声明（头文件）
extern template class Box<int>;// 显式实例化定义（源文件）
template class Box<int>;

8. 总结

8.1 核心优势

代码复用：同一逻辑适用于不同类型。
类型安全：避免 void* 等不安全操作。
性能：编译时生成代码，无运行时开销。

8.2 适用场景

容器类（如 std::vector<T>）。
数学库（如矩阵运算）。
工厂模式（创建泛型对象）。

8.3 注意事项

代码膨胀：过多实例化增加二进制体积。
编译时间：复杂模板增加编译时间。
错误信息：模板错误信息可能难以理解。

多选题

题目 1：类模板的成员函数惰性实例化

以下代码是否能编译通过？为什么？

template <typename T>
class DataProcessor {
public:void processA(T value) { value.foo(); } // T 需要 foo()void processB(T value) { value.bar(); } // T 需要 bar()
};struct ValidType {void foo() {}void bar() {}
};struct PartialType {void foo() {}// 缺少 bar()
};int main() {DataProcessor<ValidType> dp1;dp1.processA(ValidType{}); // 调用 processADataProcessor<PartialType> dp2;// dp2.processB(PartialType{}); // 若取消注释，结果如何？return 0;
}

A. 编译成功，所有成员函数默认生成
B. 编译失败，DataProcessor<PartialType> 未定义 processB
C. 编译成功，但取消注释后因 PartialType 缺少 bar() 报错
D. 编译失败，模板类必须完全合法

题目 2：全特化与偏特化的优先级

以下代码的输出是什么？

template <typename T>
class Adapter {
public:void describe() { cout << "Generic Adapter" << endl; }
};template <typename T>
class Adapter<T*> {
public:void describe() { cout << "Pointer Adapter" << endl; }
};template <>
class Adapter<int*> {
public:void describe() { cout << "Int Pointer Adapter" << endl; }
};int main() {Adapter<float*> p1;Adapter<int*> p2;p1.describe();p2.describe();return 0;
}

A. Pointer Adapter 和 Int Pointer Adapter
B. Generic Adapter 和 Int Pointer Adapter
C. Pointer Adapter 和 Generic Adapter
D. 编译失败，存在歧义

题目 3：静态成员与模板实例化

以下代码的输出是什么？

template <typename T>
class Tracker {
public:static int count;Tracker() { count++; }~Tracker() { count--; }
};template <typename T>
int Tracker<T>::count = 0;int main() {Tracker<int> t1, t2;{Tracker<double> t3;cout << Tracker<int>::count << " " << Tracker<double>::count << " ";}cout << Tracker<int>::count << endl;return 0;
}

A. 2 1 2
B. 2 1 1
C. 2 1 0
D. 2 0 2

题目 4：友元函数与模板参数关联

以下代码是否能编译通过？为什么？

template <typename T>
class Wrapper {
private:T data;
public:Wrapper(T d) : data(d) {}// 友元声明friend void debugPrint(Wrapper<T> w);
};template <typename T>
void debugPrint(Wrapper<T> w) {cout << "Data: " << w.data << endl;
}int main() {Wrapper<int> w(42);debugPrint(w);return 0;
}

A. 编译成功，输出 Data: 42
B. 编译失败，debugPrint 未声明为模板函数
C. 编译失败，友元函数无法访问 data
D. 链接失败，debugPrint 未定义

题目 5：模板类与动态多态的交互

以下代码的输出是什么？

template <typename T>
class Base {
public:virtual void print() { cout << "Base<T>" << endl; }
};template <>
class Base<int> {
public:virtual void print() { cout << "Base<int>" << endl; }
};class Derived : public Base<int> {
public:void print() override { cout << "Derived" << endl; }
};int main() {Base<int>* b = new Derived();b->print();delete b;return 0;
}

A. Base<T>
B. Base<int>
C. Derived
D. 编译失败，模板类不能全特化

答案与解析

题目 1：类模板的成员函数惰性实例化

答案：C
解析：

类模板的成员函数仅在调用时实例化（惰性实例化）。
DataProcessor<ValidType> 的 processA 被调用，合法。
DataProcessor<PartialType> 的 processB 未被调用，因此即使 PartialType 缺少 bar()，只要不调用 processB，代码仍可编译。若取消注释，实例化 processB 时会因 bar() 缺失报错。

题目 2：全特化与偏特化的优先级

答案：A
解析：

优先级规则：全特化 > 偏特化 > 通用模板。
Adapter<float*> 匹配偏特化 T*，输出 Pointer Adapter。
Adapter<int*> 匹配全特化，输出 Int Pointer Adapter。

题目 3：静态成员与模板实例化

答案：B
解析：

静态成员在每个模板实例中独立存在。
Tracker<int> 实例化两次（t1, t2），count 为 2。
Tracker<double> 实例化一次（t3），离开作用域后析构，count 变为 0。
输出：2 1 2（内部作用域）→ 离开作用域后 Tracker<int>::count 仍为 2？
更正：题目设计有误，正确输出应为 2 1 2（选项 A），但析构后 count--，最终 Tracker<int>::count 应为 2（两次构造，两次析构）。实际答案为 A。

题目 4：友元函数与模板参数关联

答案：D
解析：

友元函数 debugPrint 声明为非模板函数，但实际定义是模板函数，导致链接时找不到非模板版本的 debugPrint。

正确做法：在类内声明友元函数为模板：

template <typename U>
friend void debugPrint(Wrapper<U> w);

题目 5：模板类与动态多态的交互

答案：C
解析：

Base<int> 是全特化版本，Derived 继承并重写 print()。
通过基类指针调用虚函数，触发动态绑定，输出 Derived。

总结

这些题目覆盖了类模板的惰性实例化、特化优先级、静态成员、友元函数和继承多态等高级主题。通过分析这些场景，可以深入理解模板的静态多态机制及其与动态多态的交互，从而编写更健壮的泛型代码。

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C++ 类模板 (Class Templates)

1. 类模板基础

1.1 定义与语法

1.2 实例化类模板

1.3 底层原理

查看符号名（Linux/g++）：

2. 成员函数的外部定义

2.1 类内定义

2.2 类外定义

3. 类模板特化

3.1 全特化 (Full Specialization)

3.2 偏特化 (Partial Specialization)

4. 静态成员与类模板

5. 高级主题

5.1 友元函数与类模板

5.2 变长模板参数（C++11）

5.3 类型别名（C++11 using）

6. 两阶段编译与错误检查

6.1 阶段一（模板定义阶段）

6.2 阶段二（模板实例化阶段）

7. 显式实例化控制

8. 总结

8.1 核心优势

8.2 适用场景

8.3 注意事项

多选题

题目 1：类模板的成员函数惰性实例化

题目 2：全特化与偏特化的优先级

题目 3：静态成员与模板实例化

题目 4：友元函数与模板参数关联

题目 5：模板类与动态多态的交互

答案与解析

题目 1：类模板的成员函数惰性实例化

题目 2：全特化与偏特化的优先级

题目 3：静态成员与模板实例化

题目 4：友元函数与模板参数关联

题目 5：模板类与动态多态的交互

总结

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