C++入门教程：第九篇 - 模板基础

最新推荐文章于 2025-04-21 16:51:31 发布

原创最新推荐文章于 2025-04-21 16:51:31 发布 · 423 阅读

10 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#c++ #开发语言

C++入门教程：第九篇 - 模板基础

模板是C++中用于实现泛型编程的核心特性之一。通过模板，程序员可以编写与类型无关的代码，从而提高代码的重用性和灵活性。模板不仅可以用于函数，也可以用于类。本文将介绍C++中的模板基础，包括函数模板和类模板的定义和使用。

1. 函数模板

函数模板允许你编写可以接受多种数据类型的函数。函数模板的定义和普通函数类似，但使用了模板参数。

1.1 函数模板的基本语法

函数模板的基本语法如下：

cpp

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

在这个例子中，template <typename T> 声明了一个模板，T 是一个类型参数。max 函数可以接受任何类型的参数，只要这些参数的类型相同。

1.1.1 使用函数模板

你可以像使用普通函数一样使用函数模板。编译器会根据传入的参数类型自动生成相应的函数实例。

cpp

#include <iostream>

using namespace std;

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

int main() {
    cout << max(10, 20) << endl;          // 使用整数模板
    cout << max(15.5, 10.5) << endl;      // 使用浮点数模板
    cout << max('a', 'b') << endl;        // 使用字符模板

    return 0;
}

cpp

2. 类模板

类模板允许你创建与类型无关的类，从而使类能够处理多种数据类型。类模板的定义类似于函数模板，但它们用于定义类而不是函数。

2.1 类模板的基本语法

类模板的基本语法如下：

cpp

template <typename T>
class Stack {
private:
    vector<T> elements;
public:
    void push(const T& element) {
        elements.push_back(element);
    }

    T pop() {
        if (elements.empty()) {
            throw out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
        }
        T elem = elements.back();
        elements.pop_back();
        return elem;
    }
};

cpp

在这个例子中，template <typename T> 声明了一个模板，T 是一个类型参数。Stack 类可以处理任何类型的元素。

2.1.1 使用类模板

你可以像使用普通类一样使用类模板。编译器会根据你指定的类型生成相应的类实例。

cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>

using namespace std;

template <typename T>
class Stack {
private:
    vector<T> elements;
public:
    void push(const T& element) {
        elements.push_back(element);
    }

    T pop() {
        if (elements.empty()) {
            throw out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
        }
        T elem = elements.back();
        elements.pop_back();
        return elem;
    }
};

int main() {
    Stack<int> intStack;
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    cout << intStack.pop() << endl;  // 输出2

    Stack<string> stringStack;
    stringStack.push("hello");
    stringStack.push("world");
    cout << stringStack.pop() << endl;  // 输出"world"

    return 0;
}

cpp

3. 模板的特化

模板特化允许你为特定的类型定义不同的模板实现。这包括完全特化和偏特化。

3.1 完全特化

完全特化允许你为某个特定的类型定义一个完全不同的模板实现。

cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

template <typename T>
class Printer {
public:
    void print(const T& value) {
        cout << value << endl;
    }
};

// 完全特化
template <>
class Printer<string> {
public:
    void print(const string& value) {
        cout << "String: " << value << endl;
    }
};

int main() {
    Printer<int> intPrinter;
    intPrinter.print(123);  // 输出123

    Printer<string> stringPrinter;
    stringPrinter.print("hello");  // 输出String: hello

    return 0;
}

cpp

3.2 偏特化

偏特化允许你为模板参数的一部分定义不同的模板实现。

cpp

#include <iostream>

using namespace std;

template <typename T, typename U>
class Pair {
private:
    T first;
    U second;
public:
    Pair(T f, U s) : first(f), second(s) {}
    void print() {
        cout << first << ", " << second << endl;
    }
};

// 偏特化
template <typename T>
class Pair<T, T> {
private:
    T value1;
    T value2;
public:
    Pair(T v1, T v2) : value1(v1), value2(v2) {}
    void print() {
        cout << "Both values are the same: " << value1 << ", " << value2 << endl;
    }
};

int main() {
    Pair<int, double> p1(1, 2.5);
    p1.print();  // 输出1, 2.5

    Pair<int, int> p2(3, 4);
    p2.print();  // 输出Both values are the same: 3, 4

    return 0;
}

cpp

4. 模板的类型特征（Type Traits）

C++11引入了模板的类型特征，用于在编译时查询类型特性。这对于模板编程非常重要。

4.1 类型特征的基本使用

C++标准库提供了一些类型特征，如std::is_integral、std::is_floating_point等，用于检查类型是否满足某些条件。

cpp

#include <iostream>
#include <type_traits>

using namespace std;

template <typename T>
void checkType() {
    if (is_integral<T>::value) {
        cout << "T is an integral type" << endl;
    } else if (is_floating_point<T>::value) {
        cout << "T is a floating point type" << endl;
    } else {
        cout << "T is neither an integral nor a floating point type" << endl;
    }
}

int main() {
    checkType<int>();       // 输出T is an integral type
    checkType<double>();    // 输出T is a floating point type
    checkType<string>();    // 输出T is neither an integral nor a floating point type

    return 0;
}

cpp

5. 模板的最佳实践

在编写模板代码时，遵循一些最佳实践可以提高代码的可读性和可维护性。

5.1 适当使用模板

模板是强大的工具，但应当避免过度使用。在可能的情况下，尽量使用标准库中的模板和算法，而不是重新实现相同的功能。

5.2 使用`constexpr`优化模板

constexpr关键字允许编译器在编译时计算表达式，这可以提高模板代码的性能。

cpp

#include <iostream>

constexpr int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    std::cout << "Factorial of 5 is " << factorial(5) << std::endl; // 输出120
    return 0;
}

cpp