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C++之函数模板类模板

news 来源：原创 2025/7/27 7:52:33

模板

1.泛型编程
2. 函数模板
- 函数模板概念
- 函数模板的实例化
- 模板参数的匹配原则
3.类模板
- 类模板的定义格式
- 类模板的实例化
4.模板的优缺点

C++ 模板是一种强大的泛型编程工具，它允许你编写与类型无关的代码，提高代码复用性。

1.泛型编程

先看一个我们之前经常会使用的函数swap

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;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增
加对应的函数
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

在这时，就可以利用模板对此代码进行简化。

2. 函数模板

函数模板可以创建一个通用的函数，支持多种数据类型。

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。

语法

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

template 关键字声明这是一个模板。
typename T 定义模板参数 T，表示任意数据类型。
T 可在函数参数、返回值或函数体中使用。
注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替 class)可以用 class T 替代 typename T，但 typename 更常用。
这是上述代码就可以写为

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

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。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此。其本质是将重复的代码片段交给了编译器去处理，在这里传入不同的参数实质上了调用了不同的函数。

函数模板的实例化

用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。

隐式实例化（自动生成）
当调用函数模板时，编译器根据实参类型自动推导模板参数，并生成对应的函数。

示例
cpp
template <typename T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}int main() {int x = add(3, 4);        // 隐式实例化 add<int>double y = add(3.14, 2.71);  // 隐式实例化 add<double>
}

实例化过程
参数推导：根据实参 3 和 4，推导 T 为 int。
代码生成：编译器生成 add 的具体函数：

cpp
int add(int a, int b) {return a + b;
}

在用户对a,b传入不同的类型时，这里会进行报错；要想解决这个问题，此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 add(a, (int)d);2. 使用显式实例化

显式实例化（手动指定）
通过显式指定模板参数，强制编译器生成特定类型的函数。

语法
cpp
函数名<类型>(实参列表);

示例
cpp
template <typename T>
T max(T a, T b) {return a > b ? a : b;
}int main() {// 显式指定 T 为 doubledouble result = max<double>(3, 3.14);  // 将 3 转换为 double
}

应用场景
当参数类型无法自动推导时（如无参数依赖）。
需要控制类型转换（如 int → double）。

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

模板参数的匹配原则

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

// 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 T>T Add(T left, T right){return left + right;}void Test(){Add(1, 2);       // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化Add<int>(1, 2);  // 调用编译器特化的Add版本}

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

// 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;}void Test(){Add(1, 2);     // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化Add(1, 2.0);   // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数}

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

3.类模板

类模板允许创建通用的类，适用于不同数据类型。

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};

在之前自我实现链表时，我们会定义一个datatype是为了适应不同类型的数据，而到了c++这里，模板就可以很好的解决这个问题。

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。
例如：

// Stack是类名，Stack<int>才是类型Stack<int> st1;    // intStack<double> st2; // double

4.模板的优缺点

优点：

代码复用：可以编写通用的代码，支持多种数据类型。

类型安全：编译器会为每种类型生成独立的代码，确保类型安全。

性能优化：模板代码在编译时展开，不会引入额外的运行时开销。

缺点：

编译时间增加：模板代码会在编译时展开，可能导致编译时间变长。

代码膨胀：为每种类型生成独立的代码，可能导致生成的可执行文件体积增大。

错误信息复杂：模板相关的错误信息可能比较难以理解。

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