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C++ 模版

news 来源：原创 2025/5/18 19:50:40

C++ 模版

引言

在现代C++编程中，模板（Template）是实现泛型编程的核心技术。它提供了一种高效、灵活的方式，使代码能够适应不同的数据类型，提高代码的可复用性和可维护性。C++模板广泛应用于标准模板库（STL）、智能指针、元编程等多个领域，对提高软件开发效率具有重要意义。

本篇博客将深入探讨C++模板的核心概念，包括函数模板、类模板、非类型模板参数、模板特化等内容，并结合实例解析模板的工作原理及应用场景。无论是初学者还是有经验的开发者，都能通过本文更深入地理解C++模板的强大功能，助力编写更高效、灵活的代码。

目录

  • C++ 模版
    • 引言
    • 1.泛型编程
    • 2.函数模版
      • 2.1 概念
      • 2.2 格式
      • 2.3 原理
      • 2.4 实例化
      • 2.5 模版参数的匹配原则
    • 3.类模版
      • 3.1 格式
      • 3.2 实例化
    • 4. 非类型模版参数
    • 5. 模版的特化
      • 5.1 函数模版特化
      • 5.2 类模版特化
        • 5.2.1 全特化
        • 5.2.2 偏特化
    • 6. 模版分离编译

1.泛型编程

泛型编程是用来编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段，模版是泛型编程的基础。

泛型编程可以改善函数重载对于因类型不同而反复创造函数的麻烦，以及一个错误可能带来的连带错误，导致的可维护性低的问题。

模板分为两部分：函数模版和类模版

2.函数模版

2.1 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。

2.2 格式

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

注：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class。

模版参数列表<typename 类型1, typename 类型2,......> 类比 函数参数列表(类型 变量1 , 类型 变量2, .......)

代码示例

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

注：函数模版中的函数参数列表的类型尽量使用引用&，如参数不修要修改则加上const修饰。

2.3 原理

函数模版是一个蓝图，它本身并不是一个函数，是编译器根据不同的使用方式产生特定的具体类型函数的模具。

**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。**比如：当用double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double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此。

2.4 实例化

不同类型的参数使用函数模版的过程称为函数模版的实例化。函数模版的实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

1.隐式实例化：让编译器根据实参推演模版参数的实际类型

2.显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

代码示例

//函数模版
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);
/*
Add(a1, d1);
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
*/
// 此时有两种处理方式：
    //1. 用户自己来强制转化 
	Add(a1, (int)d1);
    //2. 使用显式实例化：如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换不成功编译器将会报错
    Add<int>(a1, d1);
	return 0;
}

2.5 模版参数的匹配原则

  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
}
  1. 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 T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
}

3.模版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。

3.类模版

3.1 格式

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

代码示例

#include<iostream>
using namespace std;

// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double
	return 0;
}

3.2 实例化

类模版实例化需要在类模版名字后跟<>，并在<>中写上要实例化的类型，类模版名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double

4. 非类型模版参数

按照模版参数分类，可以分为类型形参和非类型形参。

类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

非类型形参：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。

代码示例

// 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;
}；

注意：

  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，在C++20之后浮点数被允许作为非类型模版参数。
  2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

5. 模版的特化

模板的特化：在原模版类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

模版特化又分为函数模版特化和类模版特化。

5.1 函数模版特化

函数模版的特化步骤：

  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。

代码示例

// 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;
}

注意：一般情况下如果函数模版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。

代码示例

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

因此函数模版不建议特化，而是直接实现函数。

5.2 类模版特化

5.2.1 全特化

全特化：将模版参数列表中所有的参数都确定化。

代码示例

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};


template<>
class Data<int, char> //模版参数列表的参数全部给出
{
public:
	Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}
5.2.2 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步条件限制设计的特化版本。

偏特化分为两种：

  • 部分特化
  • 参数更进一步的限制

部分特化：将模版参数列表中的一部分参数特化

代码示例

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>	//因为要特化第二个参数，所以classT1还是要写的
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

参数更进一步的限制：偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模版参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//两个参数偏特化为指针类型
template <class T1, class 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 <class T1, class T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)	//引用需要初始化
	: _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
}

6. 模版分离编译

分离编译模式：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。

模版的分离编译

示例：模版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文件
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp文件
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

// main.cpp文件
#include"a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

分析：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

解决方法：

  1. 将声明和定义放到一个文件里。
  2. 在模版定义的位置显示实例化。

模版总结

优点

  1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生。
  2. 增强了代码的灵活性。

缺点

  1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长。
  2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误。

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