C++(23)—模板初阶

一、为什么需要泛型编程？

在C++中，若想实现一个通用的交换函数，传统方式需要为不同类型编写多个重载函数：

void Swap(int& a, int& b) { /*...*/ }
void Swap(double& a, double& b) { /*...*/ }
void Swap(char& a, char& b) { /*...*/ }

问题：

代码冗余：仅类型不同，逻辑完全重复维护困难：新增类型需手动添加函数，易出错解决方案：泛型编程（Generic Programming）核心思想：编写与类型无关的通用代码实现工具：模板（Template）

二、函数模板

1. 函数模板的概念

函数模板是一个“蓝图”，编译器根据传入的实参类型自动生成具体函数。
示例：通用交换函数

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

2. 函数模板的语法

关键字：template<typename T1, typename T2, ...>说明：typename可替换为class（但不可用struct）

3. 函数模板的原理

**编译期代码生成：**模板本身不是函数，编译器根据调用时的类型实例化具体函数。

Swap(d1, d2);  // 实例化为 void Swap(double&, double&)
Swap(i1, i2);  // 实例化为 void Swap(int&, int&)

4. 函数模板的实例化

隐式实例化
编译器自动推导类型：

Add(1, 2);      // T推导为int
Add(1.0, 2.0);  // T推导为double

显式实例化
手动指定模板参数类型：

Add<int>(1, 2.5);  // T强制为int，2.5隐式转换为int

5. 模板参数匹配规则

优先匹配普通函数：若存在同名非模板函数，优先调用它。更优匹配选择模板：若模板能生成更匹配的版本，则选择模板。

int Add(int a, int b) { return a + b; }  // 普通函数
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(T1 a, T2 b) { return a + b; }     // 模板函数Add(1, 2);     // 调用普通函数
Add(1, 2.0);   // 调用模板生成的 Add(int, double)

三、类模板

1. 类模板的定义

类模板允许定义与类型无关的通用类，常用于容器类（如动态数组、栈、队列）。
**示例：**通用栈类

template<typename T>
class Stack {
public:Stack(size_t capacity = 4) : _array(new T[capacity]), _capacity(capacity), _size(0) {}void Push(const T& data);
private:T* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};// 成员函数类外定义
template<typename T>
void Stack<T>::Push(const T& data) {_array[_size++] = data;  // 简化的实现（实际需处理扩容）
}

2. 类模板的实例化

显式实例化：必须指定模板参数类型

Stack<int> intStack;      // 存储int类型的栈
Stack<double> doubleStack; // 存储double类型的栈

四、模板的底层原理

1. 函数模板的编译过程

模板解析：检查模板语法是否正确。实例化：根据调用时的类型生成具体函数。编译生成代码：将实例化的函数编译为二进制指令。

2. 类模板的编译过程

模板解析：检查类模板语法。实例化：根据用户指定的类型生成具体的类。编译成员函数：按需编译成员函数（延迟实例化）。

五、模板的优缺点

优点
代码复用：一套逻辑支持多种类型。

类型安全：编译器自动检查类型错误。性能优化：生成的代码与手写代码效率相同。

缺点
编译时间增加：模板实例化会延长编译时间。

代码膨胀：多类型实例化可能导致生成代码体积增大。

六、实战示例：实现动态数组

template<typename T>
class Vector {
public:Vector() : _data(nullptr), _size(0), _capacity(0) {}void PushBack(const T& val) {if (_size == _capacity) {_capacity = _capacity == 0 ? 1 : _capacity * 2;T* newData = new T[_capacity];// 拷贝旧数据（简化实现，未处理异常）for (size_t i = 0; i < _size; ++i) {newData[i] = _data[i];}delete[] _data;_data = newData;}_data[_size++] = val;}
private:T* _data;size_t _size;size_t _capacity;
};int main() {Vector<int> intVec;intVec.PushBack(1);Vector<string> strVec;strVec.PushBack("hello");return 0;
}