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CPP模板编程

news 2025/8/15 12:33:18

C++模版编程

C++ 模板编程是 C++ 语言的一个强大特性，通过编写泛型代码，可以创建能够处理多种数据类型的函数或类，而不需要为每种类型重复编写相同的代码逻辑。

一、为什么使用模板

比如我们现在想要完成这样一个工作，比较两个的大小。在C++中，我们可以通过函数重载的方式来完成这个工作。

// 函数重载
int compare(int x, int y) {cout << "int compare(int x, int y)" << endl;if (x > y) return 1;else if (x < y) return -1;else return 0;
}
int compare(double x, double y) {cout << "int compare(double x, double y)" << endl;if (x > y) return 1;else if (x < y) return -1;else return 0;
}

这两个函数除了参数列表不同，其余的功能等都是一样的，根据比较的值类型不同而需要写多个函数，造成代码冗余。C++中可以通过模板编程来简化开发。

二、模板的概念

模板（Templates）允许编写通用的代码，这些代码可以适应不同的数据类型，而无需为每种数据类型重复编写相同的逻辑。

模板是C++中泛型编程的基础，作为强类型语言，C++ 要求所有变量都具有具体类型，由程序员显式声明或编译器推导。

int  a = 100; //必须明确声明变量a的数据类型

而模板允许程序员在定义类或函数时，编写与数据类型无关的通用代码。

比如：

template<class T> T compare(T x, T y);

或者

template<typename T> T compare(T x, T y);

区别

在模板参数列表中（template<...> 里），class 和 typename 完全等价，都是“类型参数”的意思。
在模板内部，如果要声明依赖于模板参数的类型（比如 T::value_type），必须用 typename：
```
template<typename T>
void func() {typename T::value_type v; // 这里必须用 typename
}
```

上面的代码描述了一个具有 T类型 的泛型函数的模板，其返回值和参数（x和 y）都具有此类型。那么T到底是什么类型？实际上，T只是一个占位符，具体是什么类型，此时并不知道，需要在具体调用的时候，指定参数的实际类型。

如下代码：此时T就是int类型。

int a = 10;
int b = 20;
int c = compare(a, b);

如下代码，此时T就是double类型。

double a = 5;
double b = 8;
double c = compare(a, b);

因此，对于T compare(T x, T y)来说，它就是一类函数的万能公式。具有通用性，但是不能直接使用。就好像我们编写简历时用的模板一样，不能直接用，在具体编写简历的时候，指定其中的内容。

模板可以分为函数模板和类模板两大类。

三、函数模版

C++中的函数模板是一种编写通用函数的机制，这些函数能够操作多种数据类型，而无需为每种类型单独编写函数定义。

1、函数模版的定义

语法形式如下：多个参数用逗号分隔。

template <typename t1,typename t2,...... > 返回值类型  函数名(参数列表){ //函数体 
}
template <class t1,class t2,......> 返回值类型  函数名(参数列表){ //函数体
}

template关键字表示这是一个模板定义。
typename T声明了一个类型参数T，表示函数可以接受任何类型作为此参数。
模板定义中 <> 里的内容即模板参数列表，不能为空

示例：

template <typename T> T minmum(T t1, T t2)
{return t1 < t2 ? t1 : t2;
}

2、函数模板的使用

T的类型会根据实际调用minmum函数时其实参类型进行推导。

int main()
{int a = 100;int b = 200;int result = minmum(a, b);cout << result << endl;  double num1 = 1;double num2 = 2;double min = minmum(num1, num2);cout << min << endl;
}

函数模板本身不是一个函数，函数模板像一个公式，它列好了函数返回值类型、函数名、函数的参数列表的参数类型，编译器通过这个公式在函数被调用时自动推导参数的类型，然后把这个模板实例化成相应的函数。

3、模板的实例化

函数模板的泛型参数类型的实际类型是在编译期间确定的，这个过程被称为模板实例化。

当编译器遇到一个函数模板的调用时，它会根据传给模板函数的参数类型来推导出模板参数的具体类型，然后生成针对这些具体类型的函数代码。

以上面函数为例，当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推导，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码。这个过程叫实例化函数模板。

在这里插入图片描述

4、隐式推导和显式推导

函数模板实例化过程中，其模板参数列表推导过程分为：隐式推导和显式推导。

（1）显示推导

明确指定参数类型。

int a = 100;
int b = 200;
int result = minmum<int>(a, b);

（2）隐式推导

隐式推导也叫自动类型推导

int a = 100;
int b = 200;
int result = minmum(a, b);

注意：隐式推导，不可以进行隐式类型转换。如下代码编译错误，char c不能隐式转换为int。

int a = 100;
//int b = 200;
char c = 'A';
int result = minmum(a, c);
cout << result << endl;

1️⃣ 模板类型推导阶段

当你写 template<typename T> T minmum(T x, T y);
调用 minmum(a, c)：
- 编译器会尝试 推导 T。
- a 是 int → 推导 T = int
- c 是 char → 推导 T = char
- 冲突 → 编译错误。
重点：模板推导阶段不会做类型提升（char → int）或其他隐式转换。
所以说“隐式推导，不可以进行隐式类型转换”。

2️⃣ 普通函数调用

如果是普通函数：

int minmum(int x, int y);
minmum(a, c);

这里会允许 隐式类型转换：
- char c 会自动提升为 int。
- 编译成功，返回结果也是 int。

✅ 总结：

模板函数：类型推导阶段禁止隐式类型转换，不一致就报错。
普通函数：调用参数类型可以做隐式转换，符合函数参数类型即可。

模板类型推导阶段不会做隐式转换，但显式指定模板参数后，就不是推导阶段，而是普通函数调用阶段，允许隐式转换。如：

double m = 3.5, n = 7.2;
cout << max<int>(m, n) << endl;
m 和 n 是 double
模板要求参数类型为 T，这里就是 int → T a, T b 实际就是 int a, int b
这里发生了普通的隐式类型转换：
double m → 转换成 int（小数部分丢失）
double n → 转换成 int

（3）错误案例

#include <iostream>
template <typename T,typename E> T maxNum(T t1,T t2) {return t1 > t2 ? t1 : t2;
}
int main(){int result =minNum<int>(20, 30); //会报错，因为上面定义E类型，但是使用时没有指定E的类型//解决方案：int result =minNum<int，int>(20, 30); 或者在template模板中把E类型去掉return 0;
}

四、类模板

类模板是面向类型的通用蓝图，让同一个类逻辑可以支持多种数据类型，提高复用性、类型安全性和开发效率。

与函数模板不同，编译器不能为类模板推断模板的参数类型，需要显示指定参数类型；同时类模板参数可以有默认值。
将类模板和函数模板的定义写在头文件中，通常不需要为它们单独创建对应的.cpp文件。这是因为模板的实例化发生在使用模板的地方，编译器需要看到模板的完整定义才能生成函数或类的代码。如果将模板的定义放在.cpp文件中，编译器在处理那些包含模板声明的 .h 文件时无法看到具体的实现，从而无法为每一个具体类型生成对应的模板实例。

1、语法

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

2、类模板的定义及使用

template <class T>    // 或 template<typename T>
class MyTemplateClass 
{
public:MyTemplateClass(T data): data(data) {}void print() {std::cout << data << std::endl;}
private:T data;
};

T 就是模板参数，代表类中某个成员的数据类型。
可以有多个模板参数：template <typename T1, typename T2>
可以指定默认类型：template <typename T=int>

#include "MyTemplateClass.h"int main() {MyTemplateClass<int> obj1(100);      // T=intMyTemplateClass<double> obj2(3.14);  // T=doubleMyTemplateClass<std::string> obj3("Hello"); // T=std::stringobj1.print();  // 输出：100obj2.print();  // 输出：3.14obj3.print();  // 输出：Helloreturn 0;
}