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C++模板基础

news 2025/6/22 15:34:37

1. 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，解决代码冗余。

问题场景：实现通用交换函数时，需为不同类型重复编写逻辑相同的代码：

void Swap(int& a, int& b) { /*...*/ }  
void Swap(double& a, double& b) { /*...*/ }  
void Swap(char& a, char& b) { /*...*/ }

传统缺陷：

代码复用率低：新增类型需手动添加函数
可维护性差：一处出错，所有重载均受影响

解决方案：模板——编译器根据类型自动生成代码的“模具”。

2. 函数模板

模板函数代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时根据实参类型产生特定的函数版本。

2.1 基本语法

template<typename T>  // typename 或 class
//返回值类型 函数名(参数列表){}
T Swap(T& a, T& b) {T temp = a;a = b;b = temp;
}

2.2 底层原理

编译器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。例如，根据实参类型推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码。

double d1,d2;
Swap(d1, d2);  // 生成 double Swap(double&, double&)
int i1,i2
Swap(i1, i2);  // 生成 int Swap(int&, int&)

如同“工业模具”，填入不同材料（类型），产出不同铸件（具体函数）

2.3 实例化方式

隐式实例化：编译器根据实参自动推演类型
显式实例化：手动指定类型，不需要推演

template<class T>//也可以用template<typename T>
T Add(const T& left, const T& right)
{cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.2, d2 = 20.1;//模板会根据参数推演实际的类型，生成对应类型的函数.Add(a1, a2);//T->intAdd(d1, d2);//T->double//模板参数列表只有一个T，编译器无法确定将T确定为int或者double而报错//Add(a1, d1);//解决方式1：强转Add(a1, (int)d1);//将d1强制转换成int型，或将a1强制转换成double型//解决方式2：显式实例化，在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型Add<double>(a1, d1);//指定为double型
}

2.4 匹配优先级规则

优先匹配普通函数：非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在。在运行中，参数类型与非模板函数完全匹配，则不需要函数模板实例化，会优先调用非模板函数，如果不想使用非模板函数，可以显式实例化，调用模板函数。

template<class T>//也可以用template<typename T>
T Add(const T& left, const T& right)
{cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;return left + right;
}int Add(int& left, int& right)
{cout << "int Add(int& left, int& right)" << endl;return left + right;
}
int main()
{//非模板函数和一个同名的函数模板可同时存在，而且该函数模板可以被实例化为这个非模板函数int a1 = 10, a2 = 20;Add(a1, a2);//与非函数模板完全匹配，不需要函数模板实例化，直接调用非模板函数Add<int>(a1, a2);//将模板函数显式实例化为int Add(int& left, int& right)这个非模板函数
}

模板生成更优匹配时，选择模板：如果模板可以产生一个更好的匹配函数，优先选则模板

int Add(int left, int right)
{cout << "int Add(int& left, int& right)" << endl;return left + right;
}
template<class T1, class T2>
auto Add(T1 left, T2 right)
{cout << "auto Add(T1 left, T2 right)" << endl;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//如果不存在模板函数，这个会被强制类型转换成int型，匹配int Add//如果存在模板函数，且模板函数可以生成更匹配的版本，编译器根据实参生成更匹配的auto Add函数Add(1, 2.8);
}

3. 类模板

通用数据结构的设计利器

格式

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

模板不建议定义和声明分离到.h和.cpp，会出现链接错误。eg：

template<class T>
class Vector
{
private:T* _pData;//指针，指向T类型的空间size_t _size;size_t _capacity;
public:Vector(size_t capacity = 10):_pData(new T[capacity])//new T[capacity],连续开辟10个T类型的空间。_pData(new T[capacity]),连续开辟10个T类型的空间，_pData指向开辟空间的首元素位置,_size(0),_capacity(capacity){}~Vector();//类中声明，类外定义void PushBack(const T& data);void PopBack();size_t Size(){return _size;}T& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _pData[pos];}
};//类外定义时必须携带模板头 template<class T>template <class T1>
Vector<T1>::~Vector()
{if (_pData)delete[] _pData;_size = _capacity = 0;
}
template <class T2>
void Vector<T2>::PushBack(const T2& data)
{T2[_size] = data;_size++;
}
template <class T3>
void Vector<T3>::PopBack()
{_size--;
}int main()
{//类模板实例化，一个模板实例化不同类型Vector<int> s1;//类似把T替换成int,存储int类型的类Vector<double> s2;//类似把T替换成double,存储double类型的类
}

函数模板可以通过实参推演，类模板只有显式实例化，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，实例化的结果才是真正化的类。

在上述程序中，Vector 是模板，Vector<int> 才是真实类型。

4. 模板核心优势总结

场景	传统方式	模板解决方案
通用函数	重载多个函数	单个函数模板覆盖所有类型
通用数据结构	为不同类型重复实现相同逻辑	类模板一次定义多类型复用
避免隐式类型转换	普通函数自动转换可能丢失精度	显式实例化严格类型控制