C++ 模板（Templates）完整介绍

模板是 C++ 中一种强大的泛型编程机制，允许开发者编写与类型无关的代码，从而提高代码的复用性和灵活性。

通过模板，可以避免为不同数据类型重复编写相似的函数或类，实现真正的代码复用。

1. 模板的基本概念

1.1 为什么需要模板？

• 避免代码重复：传统函数或类需要为不同数据类型（如 int、double、string）重复实现相同逻辑。
• 类型安全：模板在编译时生成特定类型的代码，避免运行时类型错误。
• 提高效率：减少类型转换和重复代码，提升性能。

1.2 模板的两种形式

• 函数模板：适用于函数，可以处理多种数据类型。
• 类模板：适用于类，可以定义通用的类结构。

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2. 函数模板

2.1 基本语法

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

• template <typename T>：声明一个模板，T 是类型参数（可以是 int、double、string 等）。
• T max(T a, T b)：定义一个泛型函数，参数和返回值类型均为 T。

2.2 使用示例

int main() {int a = 5, b = 10;double x = 3.14, y = 2.71;cout << max(a, b) << endl;    // 输出：10（自动推导 T=int）cout << max(x, y) << endl;    // 输出：3.14（自动推导 T=double）
}

• 自动类型推导：编译器根据参数类型自动推导 T 的具体类型。
• 显式指定类型：

cout << max<int>(3.14, 2.71);  // 强制 T=int，结果截断为 3

2.3 多个类型参数

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

• 用途：适用于参数类型不同的情况（如 int 和 double 比较）。

3. 类模板

3.1 基本语法

template <typename T>
class Stack {
private:vector<T> data;
public:void push(T value) {data.push_back(value);}T pop() {T value = data.back();data.pop_back();return value;}
};

• template <typename T>：声明一个类模板，T 是类型参数。
• vector<T>：使用泛型类型 T 定义成员变量。

3.2 使用示例

int main() {Stack<int> intStack;    // 实例化一个存储 int 的 StackStack<string> strStack; // 实例化一个存储 string 的 StackintStack.push(42);strStack.push("Hello");cout << intStack.pop() << endl;  // 输出：42cout << strStack.pop() << endl;  // 输出："Hello"
}

• 显式指定类型：必须明确指定 T 的具体类型（如 Stack<int>）。

3.3 模板特化（Template Specialization）

• 作用：为特定类型提供定制化的实现。
• 示例：

template <>
class Stack<bool> {  // 针对 bool 类型的特化版本
private:vector<int> data;  // 用 int 存储 bool（节省空间）
public:void push(bool value) {data.push_back(value ? 1 : 0);}bool pop() {int value = data.back();data.pop_back();return value != 0;}
};

• 用途：优化特定类型的性能或行为（如 bool 类型）。

4. 模板的编译与实例化

4.1 编译过程

1. 模板定义：编译器看到模板代码，但不立即生成代码。
2. 实例化：当使用模板时（如 max(3, 5) 或 Stack<int>），编译器根据具体类型生成对应的代码。
3. 类型检查：编译器检查类型是否合法（如 max("a", "b") 会报错，因为 string 没有 > 运算符）。

4.2 显式实例化

template class Stack<double>;  // 强制编译器生成 Stack<double> 的代码

• 用途：减少编译时间，或确保某些类型被编译。

5. 模板的优缺点

5.1 优点

• 代码复用：一套代码处理多种数据类型。
• 类型安全：编译时检查类型，避免运行时错误。
• 性能优化：无类型转换开销，接近手写代码的效率。

5.2 缺点

• 编译时间增加：模板代码在每次使用时都会实例化，可能导致编译变慢。
• 错误信息复杂：模板错误通常难以阅读（尤其是多层嵌套时）。
• 不支持运行时多态：模板是编译时多态，无法像虚函数那样在运行时动态绑定。