C++函数与类模板详解

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数主模板
template <typename T>
void print(T value)
{
    cout << "General template: " << value << endl;
}
// 函数模板的全特化
template <>
void print<int>(int value)
{
    cout << "Specialized for int: " << value << endl;
}

// 类主模板
template <typename T, typename U>
class Pair
{
public:
    T first;
    U second;

    Pair(T t, U u) : first(t), second(u) { cout << "General Pair" << endl; }
};
// 类模板的偏特化
template <typename U>
class Pair<int, U>
{
public:
    int first;
    U second;

    Pair(int t, U u) : first(t), second(u) { cout << "Partial specialization for int, U" << endl; }
};
// 类模板的偏特化
template <typename T>
class Pair<T, double>
{
public:
    T first;
    double second;

    Pair(T t, double u) : first(t), second(u) { cout << "Partial specialization for T, double" << endl; }
};
// 类模板的全特化
template <>
class Pair<char, int>
{
public:
    char first;
    int second;

    Pair(char t, int u) : first(t), second(u) { cout << "specialization for char, int" << endl; }
};

int main()
{
    print(10); // 调用函数全特化版本
    print(3.14); // 调用函数通用模板版本

    Pair<char, int> charIntPair('a', 2); // 调用类全特化版本
    Pair<char, double> charDoublePair('a', 3.14); // 调用类偏特化版本
    Pair<int, double> intDoublePair(1, 2.71); // 调用类偏特化版本
    Pair<int, char> intCharPair(1, 'b'); // 调用类通用模板版本

    return 0;
}

输出结果

Specialized for int: 10
General template: 3.14

specialization for char, int
Partial specialization for T, double
Partial specialization for int, u
General Pair

二、函数模板

（一）定义与实例化

函数模板是一种通用函数的定义方式，它允许函数操作的数据类型作为参数传递。函数模板的定义格式如下：

template <typename T>
返回类型 函数名(参数列表)
{
    // 函数体
}

在调用函数模板时，模板参数类型可以由编译器自动推断，也可以显式指定。

示例代码

template <typename T>
void print(T value)
{
    cout << value << endl;
}

int main()
{
    print(10); // 实例化为 print<int>
    print(3.14); // 实例化为 print<double>
}

（二）模板参数的显式指定

在调用函数模板时，可以显式指定模板参数的类型：

print(10); // 实例化为 print<int>
print(3.14); // 实例化为 print<double>

（三）模板参数的默认值

函数模板的模板参数可以有默认值：

template <typename T = int>
void print(T value)
{
    cout << value << endl;
}

（四）模板特化

模板特化是指为特定的模板参数类型提供一个特殊的实现。函数模板不支持偏特化，但可以通过全特化或重载来实现类似的功能。

1. 全特化

全特化是指为模板的所有模板参数提供特定的类型实现。

// 原始版本
template <typename T>
void print(T value)
{
    cout << "General template: " << value << endl;
}
// 特化版本
template <>
void print<int>(int value)
{
    cout << "Specialized for int: " << value << endl;
}

2. 偏特化

实际上，函数模板不支持偏特化，但可以通过全特化或重载来实现类似的功能。

template <typename T>
void print(T value)
{
    cout << "General template: " << value << endl;
}

void print(int value)
{
    cout << "overriding: " << value << endl;
}

三、类模板

（一）定义与实例化

类模板是一种通用类的定义方式，它允许类的成员变量和成员函数操作的数据类型作为参数传递。类模板的定义格式如下：

template <typename T>
class 类名
{
    // 类的成员变量和成员函数
};

在实例化类模板时，需要为模板参数指定具体的类型。

示例代码

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
class Stack
{
private:
    T data[100];
    int top;

public:
    Stack() : top(-1) {}
    ~Stack() {}
};

int main()
{
    Stack<int> intStack;
    Stack<double> doubleStack;
    return 0;
}

Stack<int> 和Stack<double> 实例化 Stack 类模板生成的具体类

（二）模板参数的显式指定

在实例化类模板时，可以显式指定模板参数的类型：

Stack<int> intStack; // 显式指定模板参数类型为 int
Stack<double> doubleStack; // 显式指定模板参数类型为 double

（三）模板参数的默认值

类模板的模板参数可以有默认值：

template <typename T = int>
class Stack
{
    // 类的成员变量和成员函数
};

（四）模板特化

模板特化是指为特定的模板参数类型提供一个特殊的实现。特化分为全特化和偏特化，其中将模板参数全部写死为全特化，即固定了具体类型；而偏特化后的模板参数表里仍然存在可变的部分。假设只有一个参数，参数类型为int*属于全特化，参数类型T*是偏特化。

1. 全特化

全特化是指为模板的所有模板参数提供特定的类型实现。

// 原始模板
template <typename T>
class Stack
{
public:
    void push(T value) { cout << "General push: " << value << endl; }
};

// 全特化
template <>
class Stack<int>
{
public:
    void push(int value) { cout << "Specialized push for int: " << value << endl; }
};

2. 偏特化

偏特化是指为模板的部分模板参数提供特定的类型实现，而其他模板参数仍然保持通用。偏特化只能用于类模板。

// 1. 原始模板（主模板）
template<typename T, typename U>
class Pair { /* 通用实现 */ };

// 2. 偏特化：固定第一个参数为 int
template<typename U>
class Pair<int, U> { /* 针对 int 的优化 */ };

// 3. 偏特化：两个参数都是指针
template<typename T, typename U>
class Pair<T*, U*> { /* 指针特化 */ };

// 4. 偏特化：第二个参数是数组
template<typename T, size_t N>
class Pair<T, T[N]> { /* 数组特化 */ };

四、全特化与偏特化的区别

（一）作用对象

全特化：可以应用于函数模板和类模板。

偏特化：只能应用于类模板。

（二）模板参数

全特化：所有模板参数都被指定为具体类型。

偏特化：部分模板参数被指定为特定类型，其他模板参数仍然保持通用。

（三）实例化优先级

当存在全特化、偏特化和通用模板时，优先级顺序为：

全特化 > 偏特化 > 通用模板

五、模板的优缺点

（一）优点

代码复用性高：模板允许定义通用的函数和类，可以用于任意类型的数据，减少了代码冗余。

类型安全：模板在编译时会进行类型检查，确保模板参数类型与函数或类的使用方式一致，避免了类型错误。

性能优化：模板在编译时生成特定类型的代码，避免了运行时的类型转换和动态绑定，提高了程序的运行效率。

（二）缺点

编译时间增加：模板的使用会导致编译器生成大量的模板实例代码，增加了编译时间。

代码膨胀：模板实例化会生成多个版本的代码，可能导致代码体积增大。

调试困难：模板错误的诊断和调试相对复杂，因为编译器生成的模板实例代码可能难以理解。

六、总结

维度	主模板	偏特化	全特化
模板参数	全部泛型	部分固定	全部固定
适用对象	类模板/函数模板	仅类模板	类模板/函数模板
语法	`template<typename T, typename U>`	`template<typename U>`	`template<>`
优先级	最低	中	最高

C++模板是一种强大的语言特性，用于实现泛型编程。通过模板，可以定义通用的函数和类，提高代码的复用性和灵活性。函数模板和类模板的使用方式类似，都支持模板参数的显式指定、默认值和特化。模板特化分为全特化和偏特化两种类型，全特化可以应用于函数模板和类模板，而偏特化只能应用于类模板。合理使用模板可以提高代码的可维护性和可扩展性。