C++ 模板初阶：函数与类模板基础

缺点：

1. 代码重复：每个类型都要写一遍几乎相同的函数体。
2. 扩展性差：若要支持新类型（如 char、float），必须添加新重载。
3. 维护困难：修改算法（如改为 a < b 返回较小值）需要改动所有重载函数。

② 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
    // 甚至支持新类型，只要它实现了 operator>
    cout << max('a', 'b') << "\n"; // T = char
}

优点：

1. 一份代码适用于所有类型，只要该类型支持 operator>。
2. 无需为每种类型单独编写，维护成本低。
3. 编译器根据实际调用生成对应版本的函数，效率与手写重载相同。

1.2 泛型编程思想

模板是 C++ 支持泛型编程的基础，其核心思想是'参数化类型'——将类型也视为一种参数，让算法和数据结构独立于具体类，从而编写与类型无关的通用代码，使之能够进行代码复用。

1.3 模板的分类

一般而言，模板分为两类：函数模板和类模板。

温馨提示：一个模板只能服务于一个函数或则一个类

二、函数模板

2.1 函数模板的概念

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 函数模板的定义

函数模板定义以 template 关键字开头，后跟模板参数列表，然后是函数声明。

模板函数的语法：

1. 关键字 template <class 模板名称> 或 template<typename 模板名称> 例如：template<class T> 或 template<typename T> 备注：这里的模板名称为 T（可自定义为任意名称） 温馨提示：typename 是用来定义模板参数关键字，也可以使用 class（切记：不能使用 struct 代替 class）

2. 通过函数模板定义函数

   template<class T>
   返回值类型函数名 (参数列表)
   {
       // 函数实现
   }
   

3. 通过模板定义多个模板，实现接受不同类型的参数 例如：template<class T1, class T2> 温馨提示： A. 当只有一个模板参数时，一般须传入相同类型的实参。 B. 当有两个模板参数时，可以传不同类型的实参

代码示例 1：通过函数模板编写一个交换两个数的函数。

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    int m = 10, n = 20;
    double a = 1.2, b = 2.5;
    Swap(m, n);
    Swap(a, b);
    return 0;
}

代码示例 2：通过函数模板编写一个求两个数最大值的函数。

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

int main() {
    int i = max(3, 5); // T 被推导为 int
    double d = max(3.14, 2.7); // T 被推导为 double
    return 0;
}

代码示例 3：通过模板定义多个模板，以实现接受不同类型的参数

#include <iostream>
using namespace std;

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 被推导为 int 类型，T2 被推导为 double 类型
    return 0;
}

2.3 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具，所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。

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。

例如：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 char 类型也是如此。

2.4 函数模板的实例化

不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化，模板参数实例化分为：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板参数的实际类型

代码示例：通过函数模板实现两数相加。

#include <iostream>
using namespace std;

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);
    return 0;
}

温馨提示：如果只有一个模板参数时，传入两个不同类型，该语句不能通过编译

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    int a1 = 10;
    double d1 = 3.14;
    Add(a1, d1); // 编译报错
    return 0;
}

报错原因：

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。

解决办法一：用户自己来强制转化

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    int a1 = 10;
    double d1 = 3.14;
    Add(a1, (int)d1); // 编译通过
    return 0;
}

解决办法二：显式实例化

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    int a1 = 10;
    double d1 = 3.14;
    Add<int>(a1, d1); // 编译通过
    return 0;
}

详情解释：显式指定模板参数

例如：Add<int>(a1, d1) 或 Add<double>(a1, d1)

这意味着你在调用时明确告诉编译器：'模板参数 T 就是 int（或 double），不要再推导了'，此时编译器会跳过类型推导过程，直接使用你指定的类型来实例化函数模板。

编译器会检查这个调用是否合法：

1. 对于 Add<int>(a1, d1)，生成的函数签名是 int Add(const int&, const int&)。
2. 实参 a1 是 int，可以直接绑定到 const int&。
3. 实参 d1 是 double，但 double 可以隐式转换为 int，因此编译器会生成一个临时 int 对象（值为 d1 截断后的整数）传递给函数。

这种隐式转换是允许的，因此调用成功。

同理，Add<double>(a1, d1) 会将 a1 从 int 隐式转换为 double，也可以正常调用。

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：显示实例化 Add 函数的模板参数

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    int a = 10;
    double b = 20.0;
    // 显式实例化
    Add<int>(a, b);
    return 0;
}

2.5 模板参数的匹配原则

匹配原则一：

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。

代码示例：验证匹配原则一

// 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
}

匹配原则二：

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。
2. 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。

代码示例：验证匹配原则二

// 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
}

三、类模板

3.1 类模板的概念

类模板不是具体的类，而是一个'类的蓝图'。它使用模板参数（通常是类型参数）来描述类中成员的类型，这些成员包括数据成员、成员函数的参数和返回值等。

3.2 类模板的定义

类模板的定义必须以 template 关键字开头，后面紧跟模板参数列表（用尖括号 <> 包围）。这是类模板语法的核心标志，告诉编译器接下来的类是一个模板，可以参数化类型或值。

基本语法定义如下所示：

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

class 类模板名

{

// 类内成员定义

};

温馨提示：

1. template <typename T> 和 template <class T> 中的 T 是一个占位符类型名，在使用时会被实际类型替换。
2. 类定义内可以使用 T 声明成员变量、成员函数参数和返回类型。
3. 成员函数如果在类外定义，必须再次声明模板参数，并使用完整的类名 <T> 限定。

代码示例：演示语法

template <typename T> // T 是类型参数，也可用 class 代替 typename
class Stack {
public:
    void push(const T& x);
    T pop();
private:
    T data[100];
    int top;
};

代码示例：成员函数的外部定义

成员函数如果在类外定义，必须再次声明模板参数，并使用完整的类名 <T> 限定：

template <typename T>
class Stack {
public:
    void push(const T& x);
    T pop();
private:
    T data[100];
    int top;
};

template <typename T>
void Stack<T>::push(const T& x) {
    data[++top] = x;
}

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

3.3 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，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，而实例化的结果才是真正的类。

简单来说：对于模板类而言，类名不能代表类型，类名需要绑定模板参数才能成为类型。

代码示例：演示 stack 类代码实例化

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

template<class T>
class Stack {
public:
    Stack(int n = 4) : _array(new T[n]), _capacity(n), _size(0) {}
    // 类内声明 类外定义的写法
    void Push(const T& x);
    ~Stack() { delete[] _array; }
private:
    T* _array;
    size_t _capacity;
    size_t _size;
};

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x) {
    if (_size == _capacity) {
        // 扩容处理：开新空间 -> 拷贝内容 -> 释放旧空间 -> 指向新空间 -> 更新容量
        int newcapacity = _capacity * 2;
        T* tmp = new T[newcapacity];
        memcpy(tmp, _array, _capacity * sizeof(T));
        delete[] _array;
        _array = tmp;
        _capacity *= 2;
    }
    _array[_size++] = x;
}

int main() {
    // 类模板都需要显示实例化，不能做到隐式实例化
    Stack<int> st1; // 整形 int 类
    st1.Push(1);
    st1.Push(2);
    st1.Push(3);
    
    Stack<double> st2; // 浮点数 double 类
    st2.Push(1.1);
    st2.Push(1.2);
    st2.Push(1.3);
    
    Stack<double>* pst = new Stack<double>();
    return 0;
}