C++ 泛型编程：模板初阶与函数模板深度解析

1. 泛型编程：实现代码的通用性

你是否厌倦了为每种数据类型写一遍相同的代码？例如，实现一个简单的交换函数。虽然函数重载看似解决问题，但实际上，每增加一种类型，代码库就膨胀一点，维护成本也直线上升。

想象，如果有一种方式，能告诉编译器：“嘿，我有个模子，你能根据不同的类型来生成代码吗？”好消息是，C++早已为你准备好了解决方案——模板。

实现一个通用的交换函数呢？

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

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

2. 函数模板：代码的模具

2.1 什么是函数模板？

函数模板是代码的“模具”，它允许你编写与类型无关的代码，就像一个通用的蓝图，能根据需要生成特定类型的函数。

2.2 函数模板的格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>

返回值类型 函数名(参数列表){}

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

这里的typename关键词（或可使用class）定义了模板参数，Swap函数接受任何类型T的引用。

2.3 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。 所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

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。

2.4 函数模板的实例化

• 隐式实例化：编译器自动根据实参类型推导模板参数类型。

  template<class T>
  T Add(const T& left, const T& right)
  {
  	return left + right;
  }
  int main()
  {
  	int a1 = 10, a2 = 20;
  	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
  	Add(a1, a2);
  	Add(d1, d2);
  /*
  该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型
  通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有
  一个T，
  编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
  注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要
  背黑锅
  Add(a1, d1);
  */
  // 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
  	Add(a, (int)d);
  	return 0;
  }
  
  

• 显式实例化：用户在调用时指定模板参数类型。

  int main(void)
  {
  	int a = 10;
  	double b = 20.0;
  	// 显式实例化
  	Add<int>(a, b);
  	return 0;
  }
  

2.5 模板参数的匹配原则

• 模板函数和非模板函数共存时，优先调用非模板函数，除非模板实例化能提供更好的匹配。

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：更进一步的通用性

3.1 类模板的定义

类模板允许类本身成为“模具”，可以为不同的类型实例化不同的类。

template<typename T>
class Stack
{
    // 类成员定义
};

#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
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;
};
// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1; // int
	Stack<double> st2; // double
	return 0;
}

3.2 类模板的实例化

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

实例化后的Stack<int>才是真正的类，而Stack本身只是一种模板，用于生成类。

结论：模板的力量

模板是C++泛型编程的基石，它极大地提升了代码的复用性和维护性。无论是函数模板还是类模板，都能让你的代码更简洁、更高效。掌握模板，你将能驾驭C++的泛型编程，编写出更加灵活和强大的程序。