C++ 模板初阶

这种方式的缺点很明显：每个类型都要写一遍几乎相同的函数体；若要支持新类型（如 char），必须添加新重载；修改算法时需要改动所有重载函数。

2. 模板方法：函数模板

模板允许将类型作为参数，编译器根据调用时传入的具体类型生成对应的代码。

#include <iostream>
#include <string>
#include <typeinfo>
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;
}

优点在于一份代码适用于所有类型，只要该类型支持 operator>；无需为每种类型单独编写，维护成本低；编译器生成的代码效率与手写重载相同。

泛型编程思想

模板是 C++ 支持泛型编程的基础，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。

模板的分类

一般而言，模板分为两类：函数模板和类模板。一个模板只能服务于一个函数或者一个类。

二、函数模板

概念与定义

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。

定义以 template 关键字开头，后跟模板参数列表，然后是函数声明。

语法提示：

• 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>。
• 这里的模板名称为 T（可自定义为任意名称）。
• typename 是用来定义模板参数的关键字，也可以使用 class（切记：不能使用 struct 代替 class）。

示例 1：交换两个数

#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;
}

示例 2：求最大值

#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;
}

示例 3：多模板参数

#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;
}

原理与实例化

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。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。

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。

#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;
}

注意：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： 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。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：

1. 用户自己来强制转化：Add(a1, (int)d1)。
2. 显式实例化：Add<int>(a1, d1)。

2. 显式实例化

在函数名后的 <> 中指定模板参数的实际类型。

#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;
}

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：对于 Add<int>(a1, d1)，生成的函数签名是 int Add(const int&, const int&)。实参 a1 是 int，可以直接绑定到 const int&。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 对象传递给函数。同理，Add<double>(a1, d1) 会将 a1 从 int 隐式转换为 double，也可以正常调用。

模板参数的匹配原则

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。

// 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
}

原则二： 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调用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。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。

// 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

概念与定义

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。

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：

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
};

注意：

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。

示例：Stack 类模板

#include <cstring>
using namespace std;

template<class T>
class Stack {
public:
    Stack(int n = 4) : _array(new T[n]), _capacity(n), _size(0) {}
    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;
}

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。