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C++模板初阶

news 来源：原创 2025/8/21 9:18:45

1.函数模板

模板是C++中一个非常重要的东西，也是下一步学stl的最后一块拼图。那看看最后一块拼图是什么呢？C++祖师爷在写C语言时遇到了有个非常难受的地方：

遇到有很多类型变量交换的时候就要写不同的交换函数，再新增类型的交换还要继续写交换函数，这样就比较繁琐，那有什么好办法吗？这里引入一个小话题：比如有一天我们知道自己要穿越到古代了，穿越到古代的时候可以带现代的东西回去，我们已经提前知道我们穿越回去的工作就是刻字，每天把别人写好的文章刻在石板上为了将文章传出去，那此时我们最想带回去的就是造纸术和活字印刷术，这样可以大大提高效率。那同理祖师爷也就想我们能不能像活字印刷术一样写个模具，需要什么直接印出来就行，所以就有了新语法--模板。模板就像模具，它在这会搞出两个东西，一个叫函数模板，一个叫类模板。

先看看函数模板：

这里要新学一个关键字叫template，他后面跟一个尖括号，因为上面三个交换函数逻辑相同，参数类型不同，所以在尖括号里定义个类型，可以给typename，它是来定义模板参数的关键字，也可以给class，现阶段认为它们是一样的。类型可以叫T/Tp等都可以，名字随意起，日常更喜欢叫T，有type的意思。定义好了T类型，就可以在Swap里面用了，下面写好函数逻辑，这就是一个函数模板。这里面的T是什么具体类型我们不知道，我们只知道它是一个类型。模板厉害的地方是我们不需要写上面三个函数了，只要交换两个变量就可以用上面的函数模板：

用模板和用普通函数一样，只是模板里面类型定义成了模板参数。函数模板和普通函数不一样，函数的参数定义的是变量，是对象，函数模板定义的是类型。那上图两个Swap调的是不是同一个函数呢？不是的，就如同在古代把文章用模具印了很多份出来，老百姓看的文章不是模具，而看的是模具印刷出的复制品。

调式的时候按F11进去看似进了模板，实际不是，这里做了优化，可通过汇编来验证：

那怎么做到看起来调同一个函数实际不是同一个呢？这里其实调的是模板生成的具体函数：

这个过程叫函数模板的实例化。我们在用模板调用时编译器会自动推，如上图传了两个double，推出T是double，然后生成一份T是double的代码；再如传了两个int，推出T是int，然后生成一份T是int的代码。根据参数推出参数T是什么，然后生成对应的代码叫模板的实例化。模板的实例化指用模板生成对应的函数，所以它在这调用的还是生成的函数。因此实际上调用的不是模板，是模板实例化生成的函数，函数是编译器生成的，最终还是编译器承担了一切。这里假设有两个日期类对象也是可以用模板交换的：

这会推出T是Date，然后实例化出交换Date的函数，里面调用拷贝构造和赋值来完成交换。以后再有类似Swap的情况，就不需依次写具体函数，写函数模板就行，这个模板是给编译器用的。其实从此以后不用自己写Swap模板，因为库里面有：

以后想交换直接用就可以，只不过是小写的swap：

可以发现指针交换也不用自己写模板，可以直接用，T可实例化为int*。那不是以前说交换int*要用int**吗，那是C语言的玩法，C++这里有引用，函数形参是实参的别名。

有些地方把用模板完成的东西叫泛型编程，那什么是泛型编程呢？就是我们写的代码是针对广泛的类型，不是针对某种具体的类型。前面main函数里完成a和b的交换，调的不是模板，实际调用的是编译器用函数模板实例化生成的具体函数，也就是交换就要写多个函数，只是模板这个玩法把本来应该由我们干的活交给编译器去做。那能不能定义多个模板参数呢？也是可以的，比如说这里假设有打印不同类型数据的需求：

此时就可以定义多个模板参数，T1推为int，T2推为double，实例化出in和double的函数。前面都用模板类型做参数，也可以用模板类型做返回值：

函数模板根据调用，自己推导模板参数的类型，实例化出对应函数。

下一个要看的是函数模板的实例化，函数模板的实例化有两种方式：第一种叫隐式实例化，也就是编译器根据类型自己去推；第二种叫显示实例化。

上图就是隐式实例化，只有一个模板参数，一个推为int，一个推为double。但有些地方推不了：

如果出现上图这样的方式会出现什么问题呢？这时a1让T推为int，d1让T推为double，那到底推为什么呢？这时编译器就为难了，报错说模板参数T不明确。那怎么解决这样的问题呢？一种方式是让它们达成一致：

用强制类型转化，要么都听a1的转化为int，要么都听d1的转化为double，这样就不存在歧义了。还有一种方式是显示实例化：

隐式实例化是通过实参传递的类型来推演T的类型，显示实例化是用指定的类型实例化，上图第一个就是指定实例化为int，第二个就是指定实例化为double。在函数名和参数之间加尖括号就叫显示实例化，如第一个指定T为int时d1会涉及到隐式类型转化。其实大多数场景下都用不上显示实例化，一般自动推就行，但有一种场景需要用显示实例化，假设有这样一个函数：

这个函数如果不用显示实例化无法使用，用Alloc(10)直接调用都没法推，所以就只能Alloc<double>(10)像这样显示实例化，这里就是有些函数无法自动推，只能显示实例化。

2.类模板

比如我们有了类和对象，我们写一个栈，能不能写一个库出来呢？不能，因为这的类型还是写死的。有时候觉得写的这个东西还可以，想让栈存int就把DataType前写为int，想让栈存double就把DataType前改为double就可以了，这样没什么问题。但有没有可能有这样一个场景：

在同一个程序中我的栈s1要存int，栈s2要存double，此时就不可以了，除非写StackInt和StackDouble两个类，但这样太麻烦。上面这些栈无非就是类型不同，所以一个程序中要不同类型的类，我们不想自己写太多的类，那就交给编译器去完成，给编译器一个模板，这个模板叫类模板：

用的地方不能直接Stack s1这样传参数告诉编译器说用int，因为构造函数这不一定用T参数，所以没法通过推演实例化，所以用类模板要显示实例化。如果有需求类模板也是可以定义多个模板参数的：

最后要说的一个东西是类模板函数声明和定义分离是有些不一样的，如构造函数实现声明和定义分离：

类里面声明，类外面定义，发现按照传统方式声明和定义分离是编不过的，类里面用T知道是的模板参数，类外面不知道T是哪里来的，Stack::Stack(size_t capacity)还是不认识T，所以要声明模板参数。声明后还是不可以，这里有个要注意的地方，类模板和以前有个不一样的地方是：以前对于普通类而言，类名就是类型。对于类模板，类名和类型不一样，如这里Stack是类名，类型是Stack<T>。就比如main中有Stack<int> s1，这里模板实例化出的是Stack<int>类型，如果直接Stack::Stack(size_t capacity)就相当于还没有实力化。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。因此要这样写：

再比如把Push分离写：

1.函数模板

2.类模板

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