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函数模板 (Function Templates)

news 来源：原创 2025/4/25 6:06:14

C++ 函数模板 (Function Templates)

函数模板是 静态多态（Static Polymorphism） 的核心机制之一，允许编写与类型无关的泛型代码。通过模板，可以在编译时为不同类型生成具体函数，提高代码复用性和灵活性。请优先了解和重载相关知识，本文结合代码和底层原理，详细解析函数模板的实现、实例化规则及高级用法。

1. 函数模板基础

1.1 定义与语法

函数模板通过 template 关键字定义，使用类型参数 T 表示泛型类型：

template <typename T>
T max(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}

typename T 表示类型参数（也可用 class T，二者等价）。
模板参数可定义多个（如 template <typename T, typename U>）。

1.2 模板实例化

编译器根据调用时的实参类型 隐式实例化 具体函数：

int main() {int a = 5, b = 10;cout << max(a, b) << endl;  // 隐式实例化为 int max(int, int)double x = 3.14, y = 2.71;cout << max(x, y) << endl;  // 隐式实例化为 double max(double, double)return 0;
}

1.3 底层原理

编译器为每个类型生成独立函数（如 max<int> 和 max<double>）。
符号表中生成唯一名称（Name Mangling），例如：
- max<int> → _Z3maxIiET_S0_S0_
- max<double> → _Z3maxIdET_S0_S0_

查看生成符号（Linux/g++）：

g++ -c main.cpp -o main.o
nm main.o

输出示例：

00000000 T _Z3maxIiET_S0_S0_
00000010 T _Z3maxIdET_S0_S0_

2. 类型推导与显式指定

2.1 自动类型推导

编译器根据实参推断模板参数类型：

max(5, 10);      // T → int
max(3.14, 2.71); // T → double

2.2 显式指定类型

若类型无法推导（如返回值类型不同），需显式指定：

template <typename T, typename U>
T max(T a, U b) {return (a > b) ? a : b;
}int main() {// 显式指定 T 为 double，U 由实参推导为 intcout << max<double>(5, 3.14) << endl; // 返回 5.0（类型为 double）return 0;
}

3. 多类型参数与返回类型

3.1 多类型参数

template <typename T, typename U>
auto add(T a, U b) -> decltype(a + b) { // C++11 后置返回类型return a + b;
}int main() {cout << add(1, 2.5) << endl;  // T = int, U = double → 返回 double (3.5)return 0;
}

3.2 返回类型优化（C++14）

C++14 支持 auto 自动推导返回类型：

template <typename T, typename U>
auto add(T a, U b) {return a + b;
}

4. 模板特化与重载

4.1 模板特化

为特定类型提供优化实现：

// 通用模板
template <typename T>
bool isEqual(T a, T b) {return a == b;
}// 特化版本（针对 double，处理浮点精度）
template <>
bool isEqual<double>(double a, double b) {return fabs(a - b) < 1e-9;
}int main() {cout << isEqual(5, 5) << endl;     // 1（通用模板）cout << isEqual(0.1 + 0.2, 0.3) << endl; // 1（特化模板）return 0;
}

4.2 函数重载

模板函数可与普通函数重载：

template <typename T>
void print(T a) {cout << "模板: " << a << endl;
}void print(const char* a) { // 重载版本cout << "重载: " << a << endl;
}int main() {print(10);        // 调用模板函数print("Hello");   // 调用重载函数return 0;
}

5. 模板参数类型

5.1 非类型模板参数

模板参数可以是整型、指针或引用：

template <typename T, int N>
T scale(T value) {return value * N;
}int main() {cout << scale<int, 5>(10) << endl; // 50（10 * 5）return 0;
}

5.2 默认模板参数

C++11 支持默认模板参数：

template <typename T = int>
T getDefault() {return T();
}int main() {cout << getDefault() << endl;    // 0（int 默认值）cout << getDefault<double>() << endl; // 0.0return 0;
}

6. 模板的编译与链接

6.1 两阶段编译

模板定义检查：检查语法和模板参数合法性。
实例化检查：在实例化时检查类型相关操作（如 T::unknown）。

6.2 显式实例化

减少重复编译开销：

// 显式实例化声明（头文件）
extern template int max<int>(int, int);// 显式实例化定义（源文件）
template int max<int>(int, int);

7. 高级主题

7.1 可变参数模板（C++11）

处理任意数量参数：

template <typename... Args>
void print(Args... args) {(cout << ... << args) << endl; // C++17 折叠表达式
}int main() {print(1, " + ", 2, " = ", 3); // 输出：1 + 2 = 3return 0;
}

7.2 完美转发（C++11）

保留参数的值类别（左值/右值）：

template <typename T>
void relay(T&& arg) { // 通用引用process(std::forward<T>(arg)); // 完美转发
}

8. 总结

8.1 核心优势

类型安全：避免宏或 void* 的类型不安全操作。
代码复用：同一逻辑适用于不同类型。
性能：编译时生成代码，无运行时开销。

8.2 使用场景

容器类（如 std::vector<T>）。
算法库（如 std::sort）。
数学计算（如矩阵运算）。

8.3 注意事项

代码膨胀：过多实例化可能增加二进制体积。
编译时间：复杂模板会增加编译时间。
错误信息：模板错误信息通常难以理解。

多选题

题目 1：模板类型推导

以下代码中，调用 print(ptr) 时，模板参数 T 的类型是什么？

template <typename T>
void print(T arg) { /* ... */ }int main() {const int* ptr = nullptr;print(ptr);return 0;
}

A. const int*
B. int*
C. const int
D. int

题目 2：显式模板参数与隐式推导

以下代码的输出是什么？

template <typename T>
void func(T a, T b) { cout << "模板版本" << endl; }void func(int a, double b) { cout << "重载版本" << endl; }int main() {func<int>(10, 3.14);return 0;
}

A. 模板版本
B. 重载版本
C. 编译失败，类型冲突
D. 运行时错误

题目 3：模板特化与重载的优先级

以下代码的输出是什么？

template <typename T>
void process(T a) { cout << "通用模板" << endl; }template <>
void process<int>(int a) { cout << "int 特化" << endl; }void process(double a) { cout << "double 重载" << endl; }int main() {process(10);    // 调用哪个版本？process(10.0);  // 调用哪个版本？return 0;
}

A. 通用模板 和 double 重载
B. int 特化 和 double 重载
C. int 特化 和 通用模板
D. 编译失败，存在歧义

题目 4：可变参数模板与折叠表达式

以下代码是否能编译？输出是什么？

template <typename... Args>
void printSum(Args... args) {cout << (args + ...) << endl; // C++17 折叠表达式
}int main() {printSum(1, 2, 3);printSum(1.5, 2.5);return 0;
}

A. 编译失败，语法错误
B. 输出 6 和 4
C. 输出 6 和 4.0
D. 输出 6 和 4.0（类型为 double）

题目 5：完美转发与通用引用

以下代码中，relay 函数是否能正确转发参数的值类别（左值/右值）？

template <typename T>
void relay(T&& arg) { // 通用引用process(arg);      // 直接传递 arg
}void process(int& x) { cout << "左值" << endl; }
void process(int&& x) { cout << "右值" << endl; }int main() {int a = 10;relay(a);          // 调用 process(int&)relay(10);         // 调用 process(int&&)return 0;
}

A. 是，输出 左值 和 右值
B. 否，两次都输出 左值
C. 否，两次都输出 右值
D. 编译失败，relay 函数无法推断类型

答案与解析

题目 1：模板类型推导

答案：A
解析：

模板参数 T 的类型推导遵循 按值传递规则：
- arg 的类型是 T，实际参数类型是 const int*。
- 推导时 T 直接匹配为 const int*（指针本身的类型，保留 const）。
如果参数是引用（如 T& arg），则 T 会被推导为 const int*，但此处是值传递。

题目 2：显式模板参数与隐式推导

答案：A
解析：

func<int>(10, 3.14) 显式指定 T = int，因此模板参数为 int。
此时函数签名变为 void func(int, int)，但第二个参数 3.14 是 double，触发隐式转换（double → int）。
重载版本 void func(int, double) 参数类型更匹配，但显式模板参数会强制使用模板函数。