浅述C++模板——函数模板及类模板

前言

模板作为 C++ 的一大特色，对于泛型编程有着重要的作用。同时，对于大规模类似的函数或是类型不确定的类，模板都起了至关重要的作用。

一、模板

在开始学习模板之前，我们首先需要了解模板。先看下面一个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int func_one(int num){
    return 2 * num;
}

double func_two(double num){
    return 2 * num;
}

int main(){
    int num_int = 2;
    double num_double = 2;
    
    func_one(num_int);
    func_two(num_doule);
    
    return 0;
}

我们可以轻易发现，对于函数 func_one、func_two，两者实现的功能基本相同，只是所接受的参数和返回值发生了对应的变化。因此有没有一种办法可以简化这两个函数，将其合并为一个呢？答案就是使用模板。

下面的例子是对上面的两个函数使用模板的结果：

#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
T func(T num){
    return 2 * num;
}

int main(){
    int num_int = 2;
    double num_double = 2;
    
    func(num_int);
    func(num_doule);
    
    return 0;
}

在上面的案例中我们见到了新的关键字 template。它表示此处运用模板，后面 <> 中则表示，有一个模板类型 T，T 在此会根据我们函数的传参自动生成对应的类型。例如 num_int 传入后 T 则代表 int； num_double 传入后 T 则代表 double。

模板就像一个空的模具，大体上不会改变，但是你提供什么参数都可以按照模具的形状进行操作。

二、函数模板

在上面介绍时我们使用的模板就是函数模板，除此之外还有类模板，但是我们先从函数模板开始讲起。

2.1 模板的格式

**函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。**函数模板的诞生是为了简化重复的函数，哪怕利用重载，也需要对一个函数进行多次重载，但是模板函数只需一个模板即可适应各个种类。

函数模板的格式如下：

template <class T1, typename T2, class T3, ... , typename TN>

返回值类型 函数名(参数列表){

​ 函数主体;

}

声明一个模板类型的时候，可以使用 "class" 或 "typename"，两者无差别。但是需要注意的地方在于，一个模板类型只能代表一种类型。例如在上面的函数中，T1 实例化为 int 类型后就不能再代表 char 等类型，具体如下：

#include <iostream>
using namespace std;

template <class T1>
double func_one(T1 num_1, T1 num_2){
    return num_1 + num_2;
}

template <class T1, class T2>
double func_two(T1 num_1, T2 num_2){
    return num_1 + num_2;
}

int main(){
    int num_int = 2;
    double num_double = 2;
    
    func_one(num_int, num_double);
    func_two(num_doule, num_double);
    
    return 0;
}

在这个例子中，主函数中调用 func_one 是失败的，T1 在接收 num_1 时，已经实例化为 int, 但是 num_2 为 double 类型，因此发生了错误。为接收不同类型的两个参数，我们可以考虑使用 func_two。

2.2 模板的匹配优先度

先看下面的案例，猜测系统会调用哪个函数。

#include <iostream>
using namespace std;

int func(int num_1, int num_2){
    return num_1 + num_2;
}

template <class T1>
int func(T1 num_1, T1 num_2){
    return num_1 + num_2;
}

int main(){
    int num_1 = 1;
    int num_2 = 2;
    
    func(num_1, num_2);
    func<int>(num_1, num_2);
    return 0;
}

经过调试，我们可以得知：

第一次调用 func 函数，调用的是第一个非模板的 func 函数，这是由于在可以找到匹配的函数时，优先不调用模板函数，避免重复生成一个一样的函数；

第二次调用 func 函数，调用的模板生成函数，这是由于 func(), 表示我们手动要求生成一个 func 模板函数用 int 实例化之后的函数，此时会优先采用手动要求的模板函数。

2.3 模板的声明

比起其他的函数，模板函数要求必须声明和定义在一起，不可声明与定义分离。此过程涉及到编译链接的过程，不在此展开。

三、类模板

在了解了函数模板之后，类模板也非常好理解，例如我们之后会学到的 vector 容器就是一个模板类：

#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
class vector{
private:
    T* ptr;
public:
    vector(T num){
        // ......
    }
}

在这个类中，构造一个类时需要传入一个类型作为参数，然后 ptr 的类型就确定了，之后的函数就可以据此继续完成。之后将以 vector 为例，讲述一个模板类的实现。

四、总结

模板的优点显而易见，一方面节省了资源，便于代码的迭代更新，另一方面增加了代码的灵活性。那是不是我们要多多使用模板呢？答案是否定的。

首先模板相比于普通的函数需要的编译时间更长，且出现错误信息时不易定位错误位置。所以具体使用重载还是模板要根据实际情况来合理进行判断选取。