C++ 模板初阶：泛型编程基础与实战

这种写法虽然可行，但缺点很明显：代码冗余严重，扩展性差，新类型支持困难。

模板方法：函数模板

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

template <typename T>
T max(T a, T b) {
    cout << "template version for " << typeid(T).name() << "\n";
    return a > b ? a : b; // 要求 T 支持 operator>
}

int main() {
    cout << max(3, 5) << "\n";        // T = int
    cout << max(3.14, 2.7) << "\n";   // T = double
    cout << max("hello", "world") << "\n"; // T = string
    cout << max('a', 'b') << "\n";    // T = char
    return 0;
}

使用模板后，一份代码即可适配所有支持比较运算符的类型。只要类型实现了 operator>，编译器就能自动处理。

二、函数模板详解

1. 定义与语法

函数模板代表了一个函数家族。定义时以 template 关键字开头，后跟模板参数列表，再是函数声明。

template<class T> // 或 template<typename T>
void Swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

这里 T 是占位符类型名，可以是任意标识符。注意，class 和 typename 在这里作用相同，但习惯上推荐使用 typename。

2. 多模板参数

模板不仅可以接受一个类型参数，也可以接受多个。例如交换两个不同类型的变量：

template<class T1, class T2>
void func2(const T1& x, const T2& y) {
    cout << x << " " << y << endl;
}

int main() {
    int a = 10;
    double b = 3.14;
    func2(a, b); // T1=int, T2=double
    return 0;
}

3. 实例化机制

函数模板本身不是函数，而是生成函数的蓝图。编译器在使用时会进行实例化，分为隐式和显式两种。

隐式实例化：编译器根据实参类型自动推导。

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); // T 推导为 int
    Add(d1, d2); // T 推导为 double
    return 0;
}

注意：如果只有一个模板参数，传入不同类型会报错，因为编译器无法确定 T 到底是哪个类型。

int a1 = 10;
double d1 = 3.14;
Add(a1, d1); // 编译错误：无法推导 T

解决办法：

1. 强制转换类型。
2. 显式指定模板参数。

Add<int>(a1, d1); // 显式指定 T 为 int，d1 会被隐式转换为 int

显式实例化告诉编译器跳过推导过程，直接使用指定的类型。编译器会检查该类型是否合法，如果不合法则报错。

4. 匹配原则

当存在非模板函数和同名函数模板时，编译器遵循以下优先级：

1. 优先调用非模板函数：如果非模板函数能完美匹配，优先选它。
2. 选择更匹配的模板：如果模板能生成比非模板函数更好的匹配（例如不需要隐式转换），则选择模板。

int Add(int left, int right) { return left + right; }

template<class T> T Add(T left, T right) { return left + right; }

void Test() {
    Add(1, 2);       // 调用非模板函数（精确匹配）
    Add(1, 2.0);     // 调用模板函数（非模板无法匹配 double）
}

三、类模板

类模板的概念与函数模板类似，但它描述的是类的蓝图。类模板中的成员变量、函数参数和返回值都可以是模板参数。

1. 定义与外部实现

类模板定义同样需要 template 关键字。如果在类外定义成员函数，必须再次声明模板参数，并使用完整的类名限定。

template <typename T>
class Stack {
public:
    void push(const T& x);
    T pop();
private:
    T* _array;
    size_t _capacity;
    size_t _size;
};

// 类外定义成员函数
template <typename T>
void Stack<T>::push(const T& x) {
    if (_size == _capacity) {
        // 扩容逻辑...
    }
    _array[_size++] = x;
}

template <typename T>
T Stack<T>::pop() {
    return _array[--_size];
}

2. 实例化

类模板不能像函数模板那样完全依赖隐式推导，通常需要显式指定类型来实例化。

Stack<int> st1;      // 实例化为整型栈
Stack<double> st2;   // 实例化为浮点型栈
Stack<double>* pst = new Stack<double>; // 指针形式

类模板名字本身不是类型，只有加上 <T> 后才成为真正的类型。

四、总结

模板是 C++ 泛型编程的基石。通过函数模板和类模板，我们可以编写出高度通用且高效的代码。理解模板的实例化机制和匹配原则，对于避免编译错误和优化性能至关重要。在实际开发中，合理使用模板可以大幅减少样板代码，提升系统的可维护性。