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wzjs 2025/7/30 14:58:31
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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。

http://www.dtcms.com/wzjs/139562.html

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