C++模板初阶 -- 泛型编程，函数模板，类模板

原创已于 2025-08-08 16:52:39 修改 · 869 阅读

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#c++ #算法 #开发语言 #数据结构

于 2024-08-27 20:04:09 首次发布

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1. 泛型编程

使用函数重载实现通用的交换函数：

void Swap(int& left, int& right)
{
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

使用函数重载的缺点：
(1)重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现就需要用户自己增加对应的函数。

(2)代码的可维护性比较低，一个出错可能所以的重载均出错。

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

C++中的模板就能实现这样的泛型编程：

2. 函数模板

2.1 函数模板概念

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 函数模板格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}

上述模板的类型参数中的关键字可以使用typename也可以使用class。这里用模板的方式实现交换函数:

template <class T1>
void Swap(T1& x, T1& y)
{
	T1 tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

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。

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

#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	//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
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double b1 = 10.6, b2 = 30.5;
	//cout << Add(a1, a2) << endl;
	//cout << Add(b1, b2) << endl;

	//Add(a1, b1)	//该语句不会通过编译，模板参数列表中只有一个T，类型推演时会造成矛盾

	//此时两种处理方式:1.强转 2.使用显示实例化
	cout << Add(a1, (int)b1) << endl;
	cout << Add((double)a1, b1) << endl;
	cout << Add<int>(a1, b1) << endl;
	cout << Add<int>(b1, b2) << endl;	//b1与b2先转成int类型再以int类型的加法相加，结果是40
}

(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 a1 = 10, a2 = 20;
	double b1 = 10.6, b2 = 30.5;

	//显示实例化
	int i = Add<int>(a1, b1);
	cout << i << endl;
	return 0;
}

2.5 模板参数的匹配原则

(1)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。

#include <iostream>
using namespace std;

//专门处理int的加法函数
int Add(const int& left, const int& right)
{
	return left + right;
}
//通用加法函数
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

void Test()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;
	cout << Add<int>(1, 2) << endl;    // 函数模板实例化为非模板函数
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

如果是处理int类型的加法，会优先调用专门处理int的加法函数。

(2)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。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。

#include <iostream>
using namespace std;

// 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;
}

int main()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;	//与非模板函数完全匹配，不需要调用函数模板实例化
	cout << Add<double>(1, 2.1) << endl;	//调用函数模板实例化
	cout << Add(1, 2.1) << endl;    //这也是调用函数模板实例化，输出的结果是整型
	return 0;
}

(3) 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
	double a1 = 1.4, a2 = 2.7;
    //这里自动将double转化为int类型
	cout << Add(a1, a2) << endl;	//普通函数可以进行自动类型转换
	return 0;
}

3. 类模板

3.1 类模板的定义格式

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

3.2 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。类模板都是显示实例化.

#include <iostream>
using namespace std;

//Stack类模板
template <typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t n = 4)
		:_array(new T[n])
		,_capacity(n)
		,_top(0)
	{}

	~Stack()
	{
		delete[] _array;
		_array = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}
	// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，
	void Push(const T& data)
	{
		//扩容
		if (_capacity == _top)
		{
			size_t newcapacity = _capacity * 2;
			T* tmp = new T[newcapacity];
			memcpy(tmp, _array, sizeof(T) * newcapacity);
			delete[] _array;

			_array = tmp;
			_capacity = newcapacity;
		}

		_array[_top++] = data;
	}

private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _top;
};

int main()
{
	//Stack是类名，Stack<int>才是类型
	Stack<int> s1;
	Stack<double> s2;

	s1.Push(1);
	s1.Push(2);
	s1.Push(3);

	s2.Push(1.1);
	s2.Push(2.2);
	s2.Push(3.3);
	return 0;
}