C++模板

传统函数重载的问题

假设我们要写一个交换函数：

voidSwap(int&a,int&b){inttmp=a;a=b;b=tmp;}voidSwap(double&a,double&b){doubletmp=a;a=b;b=tmp;}voidSwap(char&a,char&b){chartmp=a;a=b;b=tmp;}

重复劳动：逻辑完全相同，仅类型不同。
扩展困难：每新增一种类型（如 std::string），就要手动添加重载。
维护成本高：若交换逻辑有 bug，所有重载都要修改。

2. 函数模板（Function Template）

2.1 基本语法

函数模板允许我们编写与类型无关的通用函数。其基本形式如下：

template<typenameT>// 也可以写作 template<class T>voidSwap(T&left,T&right){T temp=left;left=right;right=temp;}

• template<typename T>：声明一个模板参数T。
• T是一个类型占位符，在编译时会根据函数调用时的实参类型被自动替换为具体类型（如int、double、std::string等）。
• 关键字typename与class在此上下文中完全等价，可互换使用：

template<typenameT>// 合法template<classT>// 同样合法，效果相同

2.2 函数模板的原理

函数模板本身并不是一个可调用的函数，而是一个用于生成具体函数的编译期蓝图。

在编译阶段，编译器会根据函数调用时传入的实参类型，对模板进行实例化（instantiation），从而生成对应类型的具体函数版本。

inta=1,b=2;doublex=1.0,y=2.0;Swap(a,b);// 编译器实例化出：void Swap<int>(int&, int&)Swap(x,y);// 编译器实例化出：void Swap<double>(double&, double&)

2.3 模板实例化方式

模板实例化分为两种：隐式实例化和显式实例化。

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(1) 隐式实例化（推荐）

编译器根据函数调用时的实参自动推导模板参数T的类型。

template<typenameT>TAdd(constT&a,constT&b){returna+b;}intmain(){Add(10,20);// T 被推导为 intAdd(3.14,2.86);// T 被推导为 double}

所有实参必须能推导出同一个类型 T。否则编译失败！

Add(10,3.14);// 编译错误！// 10 → int，3.14 → double，T 无法同时是 int 和 double

(2) 显式实例化

通过在函数名后使用<>显式指定模板参数类型，可以绕过编译器的自动类型推导机制。

Add<int>(10,3.14);// T 被强制指定为 int，3.14 隐式转换为 int（结果为 3）Add<double>(10,3.14);// ✅ T 被强制指定为 double，10 隐式转换为 10.0

2.4 模板与普通函数的重载规则

当普通函数与同名函数模板同时存在时，C++ 编译器遵循特定的调用优先级规则：

// 普通函数（非模板）intAdd(inta,intb){returna+b;}// 函数模板template<typename T>TAdd(T a,T b){returna+b;}intmain(){Add(1,2);// 调用普通函数（精确匹配，优先级更高）Add(1,2.0);// 调用模板实例化版本 Add<double>// 因为普通函数需将 2.0 转为 int，而模板可直接匹配 double}

调用优先级总结：
优先选择普通函数（如果实参能精确匹配，无需类型转换）；
若普通函数需要类型转换，而模板能生成更匹配的版本（无转换或更少转换），则选择模板；
函数模板本身不会主动进行类型转换来匹配参数，但显式实例化后会允许标准隐式转换。

3. 类模板（Class Template）

3.1 定义格式

类模板允许我们定义与类型无关的通用类，例如一个可存储任意类型元素的栈：

template<typenameT>classStack{public:Stack(size_t capacity=4):_array(newT[capacity]),_capacity(capacity),_size(0){}voidPush(constT&data){if(_size>=_capacity){// 此处可添加扩容逻辑（如 realloc 或 new 更大数组）}_array[_size++]=data;}// 可继续添加 Pop、Top、Empty 等成员函数...private:T*_array;size_t _capacity;size_t _size;};

不要将类模板的声明（.h）和定义（.cpp）分离！
原因：模板必须在编译期根据使用情况实例化，而 .cpp 文件编译后生成的目标文件中不包含模板定义，会导致链接错误（undefined reference）。
正确做法：将整个类模板（包括成员函数定义）放在头文件（.h 或 .hpp）中。

3.2 类模板的实例化

• Stack本身不是一个类型，而是一个类模板（即类型的“蓝图”）。
• 必须通过Stack<具体类型>的形式进行实例化，才能获得一个真实可用的类类型。

intmain(){Stack<int>st1;// 实例化为存储 int 的栈Stack<double>st2;// 实例化为存储 double 的栈}

特性	函数重载	函数/类模板
代码复用	低（需为每种类型重复编写相同逻辑）	高（一份模板，编译器自动生成多份具体实例）
可维护性	差（逻辑修改需同步更新所有重载版本）	好（只需修改模板定义，所有实例自动生效）
类型安全	是	是（所有类型检查在编译期完成，无运行时开销）
编译开销	无	略高（为每种使用的类型生成独立代码，可能增大二进制体积）
推荐场景	少量固定类型，或不同类型需要特殊处理逻辑	通用数据结构、算法、工具函数（如 STL 的核心实现）