C++ | 函数模板

一、为什么需要函数模板？

在C++开发中，我们经常遇到需要编写通用函数的场景。例如：

• 实现适用于各种数据类型的max()函数

• 创建泛型容器操作（如排序、查找）

• 编写数学计算函数（支持int、float、double等）

传统方法的痛点：
需要为每个类型重复编写几乎相同的代码

int max(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
float max(float a, float b) { return a > b ? a : b; }
double max(double a, double b) { return a > b ? a : b; }
// ...更多类型需要继续重载

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二、函数模板基本语法

1. 模板声明

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

2. 使用模板

cout << myMax<int>(3, 5);       // 显式指定类型
cout << myMax(3.14, 2.718);     // 自动类型推导（C++17起）

3. 多类型模板

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 a, T2 b) -> decltype(a + b) {
    return a + b;
}

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三、模板应用场景

场景	示例	优势
通用算法	排序、查找、交换	代码复用
数学运算	向量运算、矩阵操作	类型安全
容器操作	STL算法（如for_each）	高性能
类型转换	安全类型转换函数	减少运行时开销
工厂模式	创建不同类型对象	灵活扩展

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四、模板高级特性

1. 类型推导（C++17）

auto result = myMax(3, 5);        // 自动推导为int
auto val = myMax(3.0, 2.99);      // 推导为double

2. 自动返回类型（C++14）

template <typename T, typename U>
auto multiply(T a, U b) {
    return a * b;  // 返回类型自动推导
}

3. 可变参数模板（Variadic Template）

template<typename... Args>
void printAll(Args... args) {
    (cout << ... << args) << endl; // C++17折叠表达式
}

4. 模板特化

// 通用模板
template <typename T>
bool isPointer(T val) { return false; }

// 特化版本
template <typename T>
bool isPointer(T* val) { return true; }

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五、经典案例解析

案例1：通用交换函数

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

// 使用示例
int x = 10, y = 20;
mySwap(x, y);  // 现在x=20, y=10

案例2：泛型冒泡排序

template <typename T, size_t N>
void bubbleSort(T (&arr)[N]) {
    for (size_t i = 0; i < N-1; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < N-i-1; ++j) {
            if (arr[j] > arr[j+1]) {
                swap(arr[j], arr[j+1]);
            }
        }
    }
}

// 支持任何可比较类型的数组
int intArr[] = {5,2,8,1};
bubbleSort(intArr); 

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六、最佳实践指南

1. 保持模板简洁
   将复杂逻辑拆分为非模板函数

2. 使用概念约束（C++20）

   template <typename T>
   requires std::integral<T>  // 约束为整数类型
   T increment(T val) {
       return val + 1;
   }

3. 避免隐式类型转换
   明确类型要求，必要时使用static_assert

   template <typename T>
   void process(T val) {
       static_assert(std::is_arithmetic_v<T>, 
                    "需要数值类型");
       // ...
   }

4. 合理使用特化
   优先考虑重载，特殊需求才用特化

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七、常见问题解答

Q：模板会导致代码膨胀吗？
A：是的，但现代编译器会进行优化，合理设计可控制体积

Q：模板编译错误信息太难懂怎么办？
A：使用static_assert添加约束，或使用concepts（C++20）

Q：模板函数和普通函数哪个优先级高？
A：当两者都匹配时，优先选择普通函数

Q：模板能用于虚函数吗？
A：不能，虚函数需要运行时多态，而模板是编译期机制

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八、性能对比测试

// 模板版本
template <typename T>
T templateMax(T a, T b) { return (a > b) ? a : b; }

// 宏版本
#define MACRO_MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

// 测试结果（Release模式）：
// 模板函数：与普通函数性能相同
// 宏：可能产生副作用，如：MACRO_MAX(++x, y)会导致x被递增两次