C++ 入门三：函数与模板

xyd陈宇阳2025-04-11 13:42

一、内联函数：编译期嵌入的 "高效函数"

1. 什么是内联函数？

  • 核心特性：在编译阶段，内联函数的函数体会直接嵌入到调用它的代码中，避免了普通函数的调用开销（如压栈、跳转、返回）。

  • 语法 ：在函数声明或定义前加 inline 关键字。

    inline void greet() {
    cout << "Hello, Inline Function!" << endl;
    }

2. 内联函数 vs 宏函数：深度对比

特性 内联函数 宏函数（#define）
处理阶段 编译阶段（编译器处理） 预处理阶段（预处理器替换）
类型安全 有（遵循 C++ 类型检查） 无（纯文本替换，可能引发类型错误）
作用域 受作用域规则限制 全局有效
副作用 低（按函数规则处理表达式） 高（参数可能被多次计算，如 MAX(a,b) 中的 a、b）
调试支持 可调试（有函数符号） 不可调试（替换后无原始函数信息）

示例对比 ：

宏函数实现加法可能出错：

复制代码 
#define ADD(a, b) a + b  // 若调用 ADD(5, 3)*2，实际为 5 + 3*2 = 11，而非预期的 16

内联函数安全可靠：

复制代码 
inline int add(int a, int b) { return a + b; }  // 严格按表达式优先级计算

二、默认参数函数：灵活调用的 "懒人写法"

1. 语法与规则

  • 定义：在函数参数列表中为形参指定默认值，调用时可省略对应实参。

  • 格式 ：返回值类型 函数名(参数类型 形参 = 默认值, ...)

    // 声明时指定默认参数（通常在头文件中声明）
    int sum(int a, int b = 10, int c = 20);

    // 定义时不再重复默认值（避免重复定义）
    int sum(int a, int b, int c) {
    return a + b + c;
    }

2. 调用示例

复制代码 
cout << sum(5) << endl;       // 使用默认值 b=10, c=20，结果 35
cout << sum(5, 3) << endl;    // 使用默认值 c=20，结果 28
cout << sum(5, 3, 2) << endl; // 全用实参，结果 10

3. 注意事项

  • 默认参数位置 ：默认参数需从右往左依次设置，即右侧参数有默认值时，左侧参数必须全有默认值。

    复制代码 
    // 错误：int func(int a=10, int b); 左侧有默认值，右侧无
// 正确：int func(int a, int b=10);

  • 作用域匹配：默认参数的值在声明时确定，与定义位置无关。

三、函数重载：同名不同参的 "多面手"

1. 重载的本质与规则

  • 核心概念：同一作用域内，允许存在多个同名函数，只要参数列表（个数、类型或顺序）不同。
  • 规则 ：
    • 重载函数的参数列表必须不同，与返回值无关。
    • 功能相近的函数建议重载，避免用同一函数名实现无关操作。

2. 示例：多类型输出函数

复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 重载1：输出整数
void print(int num) {
    cout << "Integer: " << num << endl;
}

// 重载2：输出浮点数
void print(double num) {
    cout << "Double: " << num << endl;
}

// 重载3：输出字符串
void print(const char* str) {
    cout << "String: " << str << endl;
}

int main() {
    print(100);      // 调用print(int)
    print(3.14);     // 调用print(double)
    print("Hello");  // 调用print(const char*)
    return 0;
}

3. 避坑指南

  • 返回值不能作为重载依据 ：

    cpp

    复制代码 
    int func(int a);
double func(int a); // 编译错误！参数相同，返回值不同不构成重载

  • 慎用默认参数重载：避免因参数默认值导致调用歧义。

四、函数模板：一次定义，通用所有类型

在 C++ 中，函数模板是实现泛型编程的重要工具。它允许我们定义一个与数据类型无关的函数，通过类型参数让同一个函数逻辑适用于多种数据类型。本节将从基础语法、使用场景、高级特性到常见问题，逐步解析函数模板的核心知识。

1. 函数模板的核心思想：类型参数化

1.1 为什么需要函数模板？

假设我们需要实现一个交换两个变量值的函数，传统方法需要为每种数据类型编写独立的函数（如swap_int、swap_double），导致代码冗余。函数模板通过类型参数化，让一套代码适配所有类型：

复制代码 
// 传统方法：针对int类型的交换函数
void swap_int(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

// 函数模板：一次定义，适配所有类型
template<typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
1.2 基础语法：template关键字与类型参数

  • 模板声明 ：使用 template<typename T> 或 template<class T> 声明类型参数 T（可自定义名称，如Type、Data）。

  • 函数定义 ：在函数参数和返回值中使用类型参数 T，替代具体数据类型。

    // 声明模板并定义函数
    template<typename T> // T为类型参数
    T add(T a, T b) {
    return a + b; // 支持所有支持+运算符的类型
    }

2. 函数模板的使用：自动类型推导与显式指定

2.1 自动类型推导：编译器的 "智能匹配"

调用函数模板时，编译器会根据传入的实参自动推导类型参数 T，无需手动指定：

复制代码 
int x = 10, y = 20;
swap(x, y); // 推导为 swap<int>(x, y)

double a = 3.14, b = 2.71;
swap(a, b); // 推导为 swap<double>(a, b)

char c1 = 'A', c2 = 'B';
swap(c1, c2); // 推导为 swap<char>(c1, c2)
2.2 显式指定类型：明确告诉编译器你的需求

当自动推导失败（如参数类型不一致）时，可显式指定类型参数：

复制代码 
// 显式指定类型：将int和double转换为double类型交换
int m = 5;
double n = 3.2;
swap<double>(m, n); // 等价于 swap(m, n)，但显式指定T为double

3. 模板特化：为特殊类型定制逻辑

3.1 为什么需要模板特化？

通用模板在处理某些特殊类型（如char*字符串）时可能不符合预期（默认会交换指针地址而非字符串内容）。此时需通过模板特化提供定制实现：

复制代码 
// 通用模板：交换任意类型（对char*无效，会交换指针）
template<typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp; // 交换char*指针，而非字符串内容
}

// 特化版本：针对char*类型，交换字符串内容（假设T为char*）
template<>
void swap<char*>(char*& a, char*& b) {
    char* temp = new char[strlen(a) + 1]; // 分配临时空间
    strcpy(temp, a);
    strcpy(a, b);
    strcpy(b, temp);
    delete[] temp; // 释放内存
}
3.2 特化语法：template<>声明特化版本

  • 完全特化 ：针对具体类型（如char*、double）。

  • 部分特化（较少用）：针对类型的部分特性（如指针、引用）。

    // 完全特化：处理bool类型（示例：无实际意义，仅演示语法）
    template<>
    void swap<bool>(bool& a, bool& b) {
    // 定制逻辑
    }

4. 函数模板 vs 函数重载：相似但不同

4.1 核心区别
特性 函数模板 函数重载
目的 泛型编程，一套代码适配多种类型 同名函数处理不同参数列表的场景
定义方式 使用template声明类型参数 相同函数名，不同参数列表（个数 / 类型 / 顺序）
类型检查 编译期推导类型，支持所有符合操作的类型 每个重载版本为独立函数，类型固定
4.2 协同使用：模板与重载共存
复制代码 
// 函数模板：通用加法
template<typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 重载版本：处理int和double混合加法
double add(int a, double b) {
    return a + b;
}

int main() {
    add(10, 20);       // 调用模板，T推导为int
    add(3.14, 2.71);   // 调用模板，T推导为double
    add(5, 3.2);       // 调用重载版本（int+double）
    return 0;
}

5. 常见易错点与最佳实践

5.1 模板定义必须放在头文件中
  • 原因 ：模板实例化发生在编译期，若定义在.cpp文件中，其他文件调用时无法找到具体实现，导致链接错误。
  • 正确做法 ：将模板声明和定义统一放在头文件（如.h或.hpp）中。
5.2 类型推导失败：操作符不支持

当类型参数T不支持函数中的操作（如T没有+运算符），编译时会报错：

复制代码 
template<typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b; // 若T为自定义类且未重载+，编译错误
}

class MyClass { /* 未重载+运算符 */ };
MyClass obj1, obj2;
add(obj1, obj2); // 编译错误：没有匹配的operator+
5.3 避免过度使用模板：简单场景用重载更清晰

若仅需处理少数几种类型（如int和double），直接使用函数重载比模板更易维护：

复制代码 
// 推荐：少量类型用重载
int add(int a, int b);
double add(double a, double b);

// 不推荐：模板可能增加理解成本
template<typename T>
T add(T a, T b);

6. 实战案例：通用最大值函数

6.1 通用模板实现
复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    // 整数
    cout << max(10, 20) << endl;       // 20
    // 浮点数
    cout << max(3.14, 2.71) << endl;   // 3.14
    // 字符
    cout << max('A', 'B') << endl;      // 'B'（ASCII值比较）
    return 0;
}
6.2 特化处理字符串（按长度比较）
复制代码 
// 通用模板：按字典序比较（默认行为）
template<>
const char* max<const char*>(const char* a, const char* b) {
    return strlen(a) > strlen(b) ? a : b; // 按字符串长度比较
}

int main() {
    cout << max("hello", "world") << endl; // 输出"hello"（长度5>5？不，实际按字典序，需修正逻辑，此处仅演示特化语法）
    return 0;
}

7. 总结：函数模板的核心优势

  • 代码复用：一套逻辑适配所有类型，避免重复编写相似函数。
  • 类型安全：编译器确保类型一致性，减少运行时错误。
  • 泛型编程基础 ：为后续学习类模板、STL 容器（如vector、map）奠定基础。

通过函数模板，C++ 实现了 "一次定义，通用所有类型" 的强大能力，让代码更简洁、灵活。掌握模板的使用与特化技巧，能显著提升开发效率，尤其在处理数值、容器等通用逻辑时优势明显。下一节我们将探索类模板，将泛型思想应用于自定义类型，进一步解锁 C++ 的强大潜力。

五、类模板：数据类型参数化的 "容器"

在 C++ 中，类模板是实现泛型编程的核心工具之一。它允许将类中的数据类型作为参数传递，从而创建出适用于多种数据类型的通用类。这种 "数据类型参数化" 的能力，让我们可以像 "模具" 一样定义类，根据不同的类型参数生成具体的类，显著提升代码的复用性和灵活性。

1. 类模板的核心思想：类型参数化

1.1 为什么需要类模板？

假设我们需要一个 "坐标类"，既能表示整数坐标 (int, int)，也能表示浮点坐标 (double, double)，甚至字符串坐标 (char*, char*)。传统方法需要为每种类型编写独立的类，导致代码冗余。而类模板通过 类型参数化，只需定义一次类，即可适配所有类型：

复制代码 
// 传统方法：针对int的坐标类
class IntPoint {
private:
    int x, y;
public:
    IntPoint(int a, int b) : x(a), y(b) {}
};

// 类模板：一次定义，适配所有类型
template<typename T> // T为类型参数
class Point {
private:
    T x, y; // 成员变量使用类型参数T
public:
    Point(T a, T b) : x(a), y(b) {} // 构造函数使用T
    T getX() { return x; }
    T getY() { return y; }
};
1.2 基础语法：template声明与类型参数

  • 模板声明 ：使用 template<typename T> 或 template<class T> 声明类型参数（T 为自定义名称，可理解为 "任意类型"）。

  • 类定义 ：在类的成员（变量、函数、构造函数）中直接使用类型参数 T。

    template<typename T> // 声明类模板，T为类型参数
    class Container {
    private:
    T data; // 数据成员使用T
    public:
    Container(T val) : data(val) {} // 构造函数参数为T类型
    T getData() { return data; } // 成员函数返回T类型
    };

2. 类模板的定义与实例化：从 "模板" 到具体类

2.1 定义类模板：类内与类外实现

  • 类内定义：成员函数直接在类体中实现（适合简单逻辑）。

    复制代码 
    template<typename T>
class Pair {
private:
    T first, second;
public:
    Pair(T a, T b) : first(a), second(b) {} // 构造函数类内定义
    void print() { // 成员函数类内定义
        cout << first << ", " << second << endl;
    }
};

  • 类外定义 ：需添加模板头 template<typename T>，并通过 类名<T>:: 指明作用域（适合复杂逻辑）。

    复制代码 
    template<typename T> // 模板头
class Stack {
private:
    T* data;
    int size;
public:
    Stack(int s); // 构造函数声明
    void push(T val); // 成员函数声明
};

// 类外定义构造函数
template<typename T> // 再次声明模板头
Stack<T>::Stack(int s) : size(s) {
    data = new T[s]; // 动态分配T类型数组
}

// 类外定义成员函数
template<typename T>
void Stack<T>::push(T val) {
    // 实现逻辑
}
2.2 实例化对象：必须显式指定类型

类模板无法自动推导类型，创建对象时必须 显式指定类型参数 ，格式为 类名<类型>：

复制代码 
// 实例化：指定T为int
Point<int> p1(10, 20); // 整数坐标，x=10, y=20

// 实例化：指定T为double
Point<double> p2(3.14, 2.71); // 浮点坐标，x=3.14, y=2.71

// 错误示例：未指定类型（编译错误）
// Point p3(1, 2); // 错误，需明确类型，如Point<int> p3(1, 2);

3. 多类型参数：处理不同类型的成员

类模板支持 多个类型参数，用逗号分隔，适用于成员类型不同的场景（如键值对、坐标分量类型不同）：

复制代码 
template<typename T1, typename T2> // 两个类型参数T1和T2
class KeyValue {
private:
    T1 key; // 键为T1类型
    T2 value; // 值为T2类型
public:
    KeyValue(T1 k, T2 v) : key(k), value(v) {}
    void print() {
        cout << "Key: " << key << ", Value: " << value << endl;
    }
};

// 实例化：键为int，值为double
KeyValue<int, double> kv(100, 3.14); 
kv.print(); // 输出：Key: 100, Value: 3.14

4. 类模板的成员函数特性

4.1 成员函数的实例化时机

类模板的成员函数 仅在被调用时才会实例化，未调用的函数不会生成具体代码，节省编译时间。例如：

复制代码 
template<typename T>
class MyClass {
public:
    void func1() { /* 复杂逻辑，未被调用则不实例化 */ }
    void func2() { /* 简单逻辑，被调用时才生成代码 */ }
};

MyClass<int> obj;
obj.func2(); // 实例化func2<int>
// obj.func1(); // 未调用，不实例化func1<int>

4.2 类内定义 vs 类外定义的区别

  • 类内定义：成员函数默认为内联函数（可隐式优化，适合简短代码）。
  • 类外定义 ：必须严格遵循模板语法，否则编译报错（如遗漏 template<typename T> 或作用域 ::）。

5. 模板特化：为特殊类型定制行为

5.1 为什么需要特化？

通用模板对某些特殊类型（如 char* 字符串）的处理可能不符合预期（例如默认存储指针而非字符串内容）。通过 模板特化，可为特定类型提供定制实现：

复制代码 
// 通用模板：存储任意类型并打印（对char*会输出指针地址，错误）
template<typename T>
class Printer {
public:
    void print(T data) {
        cout << data << endl; // 对char*输出地址，如0x7ffd...
    }
};

// 特化版本：针对char*类型，正确输出字符串内容
template<> // 空模板参数列表表示完全特化
class Printer<char*> { // 指定特化类型为char*
public:
    void print(char* data) {
        cout << "String: " << data << endl; // 输出字符串内容
    }
};

// 使用特化版本
Printer<char*> p;
p.print("Hello C++"); // 输出：String: Hello C++
5.2 完全特化 vs 部分特化

  • 完全特化 ：指定所有类型参数（如 template<> class Printer<char*>），适配具体类型。

  • 部分特化 （较少用）：针对类型的部分特性（如指针、引用），例如：

    复制代码 
    template<typename T>
class Printer<T*> { // 部分特化：针对T类型的指针
    void print(T* data) { /* 处理指针的逻辑 */ }
};

    6. 实战案例：通用动态数组类模板

    6.1 定义类模板：实现动态数组功能

    cpp 复制代码 
    template<typename T>
class DynamicArray {
private:
    T* arr; // 存储T类型数据的指针
    int length; // 数组长度
public:
    // 构造函数：初始化数组长度并分配内存
    DynamicArray(int len) : length(len) {
        arr = new T[len]; // 动态分配T类型的数组空间
    }

    // 析构函数：释放内存
    ~DynamicArray() {
        delete[] arr; // 释放T类型数组
    }

    // 重载下标运算符：访问元素
    T& operator[](int index) {
        return arr[index]; // 返回T类型引用
    }

    // 获取数组长度
    int getLength() {
        return length;
    }
};
6.2 实例化与使用
复制代码 
int main() {
    // 实例化为int数组，长度5
    DynamicArray<int> intArr(5);
    for (int i = 0; i < intArr.getLength(); i++) {
        intArr[i] = i + 1; // 赋值：1, 2, 3, 4, 5
    }
    cout << "Int Array: " << intArr[2] << endl; // 输出：3

    // 实例化为double数组，长度3
    DynamicArray<double> doubleArr(3);
    doubleArr[0] = 3.14;
    doubleArr[1] = 2.71;
    cout << "Double Array: " << doubleArr[0] + doubleArr[1] << endl; // 输出：5.85

    return 0;
}

7. 常见易错点与避坑指南

7.1 实例化时未显式指定类型

  • 错误示例 ：

    复制代码 
    template<typename T> class Stack;
Stack stack; // 错误！未指定类型参数，需改为Stack<int> stack;

  • 正确做法 ：创建对象时必须显式指定类型，如 Stack<double> stack(10);。

7.2 类外定义成员函数时遗漏模板头

  • 错误示例 ：

    复制代码 
    template<typename T>
class MyClass {
    void func();
};

// 错误：缺少模板头
void MyClass<T>::func() { /* ... */ }

// 正确写法：
template<typename T>
void MyClass<T>::func() { /* ... */ }
7.3 头文件包含问题
  • 问题 ：类模板的定义必须与声明放在同一个头文件（.h 或 .hpp）中，否则其他文件调用时会因无法实例化而报错。
  • 原因：模板实例化发生在编译期，需保证定义可见。

8. 总结：类模板的核心价值

  • 数据类型参数化 ：通过 template 让类的成员（变量、函数）支持任意类型，如容器、数据结构的基础。
  • 代码高度复用 ：一套类定义适配多种数据类型，避免重复编写相似代码（如 vector<int>、vector<double> 共用同一模板）。
  • 类型安全：编译器确保类型一致性，减少运行时错误（如避免手动类型转换）。

类模板是 C++ 泛型编程的基石，STL 中的 vector、list、map 等容器均基于类模板实现。掌握类模板的定义、实例化和特化技巧，能够让开发者编写出更通用、灵活的代码，尤其在处理需要适配多种数据类型的场景时优势显著。后续结合继承与多态，类模板还能实现更复杂的泛型设计，进一步释放 C++ 的强大能力。

六、实战：用模板实现通用最大值函数

需求：输入 5 个同类型数据，返回最大值

函数模板实现
复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
T max_of_five(T a, T b, T c, T d, T e) {
    T max_val = a;
    if (b > max_val) max_val = b;
    if (c > max_val) max_val = c;
    if (d > max_val) max_val = d;
    if (e > max_val) max_val = e;
    return max_val;
}

int main() {
    // 验证 int 类型
    int i1 = 1, i2 = 3, i3 = 5, i4 = 7, i5 = 9;
    cout << "Int Max: " << max_of_five(i1, i2, i3, i4, i5) << endl;  // 输出 9

    // 验证 float 类型
    float f1 = 2.5, f2 = 4.8, f3 = 1.2, f4 = 3.9, f5 = 5.1;
    cout << "Float Max: " << max_of_five(f1, f2, f3, f4, f5) << endl;  // 输出 5.1

    // 验证 char 类型（ASCII 码比较）
    char c1 = 'a', c2 = 'z', c3 = 'A', c4 = 'Z', c5 = '0';
    cout << "Char Max: " << max_of_five(c1, c2, c3, c4, c5) << endl;  // 输出 z（ASCII 最大）
    return 0;
}

七、模板的优势与适用场景

技术 核心优势 典型场景
内联函数 减少函数调用开销，提高执行效率 高频调用的简短函数（如存取器）
默认参数函数 简化函数调用，减少重载数量 有常用默认值的参数（如阈值、配置项）
函数重载 统一相似功能的函数名 处理不同类型的相似操作（如加减运算）
函数模板 类型无关的函数逻辑，代码高度复用 通用算法（排序、查找、交换）
类模板 数据类型参数化，构建通用数据结构 容器类（数组、链表、栈、队列）

八、实际应用案例：从理论到实战

案例 1：游戏开发中的内联函数 ------ 高频调用的性能优化

场景 ：在游戏循环中，需要频繁计算物体的坐标变换（如平移、旋转），这类函数短小且调用次数极高。
方案：使用内联函数减少函数调用开销，提升帧率。

复制代码 
// 3D坐标类
class Vector3 {
public:
    float x, y, z;
    // 内联函数：向量加法（每天调用数百万次）
    inline Vector3 operator+(const Vector3& other) const {
        return {x + other.x, y + other.y, z + other.z};
    }
    // 内联函数：快速获取模长（避免函数调用延迟）
    inline float length() const {
        return sqrt(x*x + y*y + z*z);
    }
};

// 游戏主循环（每秒调用60次以上）
void gameLoop() {
    Vector3 position(10.5f, 20.3f, 5.0f);
    Vector3 velocity(2.0f, 0.5f, 1.5f);
    // 高频调用内联函数
    position = position + velocity; 
    float speed = position.length();
    // ... 其他渲染逻辑
}

优势：将数学运算直接嵌入调用处，消除压栈 / 弹栈开销，对性能敏感的实时系统（如游戏、嵌入式控制）至关重要。

案例 2：日志系统中的默认参数 ------ 灵活配置日志级别

场景 ：开发框架或大型项目时，需要记录不同级别的日志（调试、信息、警告、错误），默认输出信息级日志。
方案：用默认参数简化调用，同时支持自定义级别。

复制代码 
// 日志级别枚举
enum LogLevel { DEBUG, INFO, WARNING, ERROR };

// 默认参数：level=INFO，prefix="INFO"
void log(const string& message, LogLevel level = INFO, 
         const string& prefix = "INFO") {
    time_t now = time(nullptr);
    cout << "[" << ctime(&now) << "] " << prefix << ": " << message << endl;
}

// 调用示例（90%场景用默认参数）
int main() {
    log("系统启动完成");  // 等价于 log(message, INFO, "INFO")
    log("连接数据库失败", ERROR, "ERROR");  // 显式指定错误级别
    log("调试数据：", DEBUG, "DEBUG");  // 调试模式专用
    return 0;
}

优势：避免为每个日志级别写重载函数，调用更简洁，适配大多数 "信息日志" 场景，同时保留灵活性。

案例 3：数学库中的函数重载 ------ 支持多种数据类型的向量运算

场景 ：实现一个向量运算库，需支持 int、float、double 等类型，以及 2D/3D 向量。
方案：用函数重载统一接口，根据参数类型和个数自动匹配。

复制代码 
// 2D向量加法（整数）
Vector2i operator+(const Vector2i& a, const Vector2i& b) {
    return {a.x + b.x, a.y + b.y};
}

// 2D向量加法（浮点数）
Vector2f operator+(const Vector2f& a, const Vector2f& b) {
    return {a.x + b.x, a.y + b.y};
}

// 3D向量加法（支持混合类型：int + float）
Vector3f operator+(const Vector3i& a, const Vector3f& b) {
    return {a.x + b.x, a.y + b.y, a.z + b.z};
}

// 使用时统一调用+号，编译器自动匹配
Vector2i a(2, 3), b(5, 4);
Vector2i c = a + b;  // 调用整数版加法

Vector3i d(1, 2, 3);
Vector3f e(0.5f, 1.5f, 2.5f);
Vector3f f = d + e;  // 调用混合类型加法

优势 ：用户无需记忆不同函数名（如 addVec2i、addVec2f），通过重载实现 "见名知意"，提升库的易用性。

案例 4：STL 中的函数模板 ------ 通用算法的基石

场景 ：C++ 标准库（STL）中的 std::swap、std::max、std::sort 等函数，需支持所有内置类型和自定义类型。
方案：用函数模板实现类型无关逻辑，用户无需为每种类型写专属函数。

复制代码 
// 自定义学生类（支持比较运算符）
class Student {
public:
    string name;
    int score;
    // 重载<运算符，用于排序和比较
    bool operator<(const Student& other) const {
        return score < other.score;
    }
};

int main() {
    // 交换两个int变量（STL的swap模板）
    int x = 10, y = 20;
    swap(x, y);  // 等价于模板实例化 swap<int>(x, y)

    // 求两个字符串的最大值（按字典序）
    string s1 = "apple", s2 = "banana";
    cout << max(s1, s2) << endl;  // 输出 "banana"

    // 对学生数组排序（自定义类型，依赖operator<）
    Student students[] = {{"Alice", 85}, {"Bob", 70}, {"Charlie", 90}};
    sort(students, students + 3);  // 按分数升序排列
    return 0;
}

优势：模板让 STL 算法 "一次编写，全类型适用"，用户只需为自定义类型实现必要接口（如比较运算符），即可复用强大的标准库功能。

案例 5：类模板实现动态数组 ------ 替代 C 语言的泛型数据结构

场景 ：实现一个类似 std::vector 的动态数组，支持任意数据类型，自动管理内存。
方案：用类模板封装数据类型，实现扩容、元素访问、拷贝构造等功能。

复制代码 
template <typename T>
class DynamicArray {
private:
    T* data;
    int size;
    int capacity;

public:
    // 构造函数：默认容量10
    DynamicArray(int cap = 10) : size(0), capacity(cap) {
        data = new T[capacity];
    }

    // 尾插元素（自动扩容）
    void push_back(const T& value) {
        if (size == capacity) {
            capacity *= 2;
            T* newData = new T[capacity];
            copy(data, data + size, newData);  // 复用STL算法
            delete[] data;
            data = newData;
        }
        data[size++] = value;
    }

    // 下标访问
    T& operator[](int index) { return data[index]; }

    // 析构函数
    ~DynamicArray() { delete[] data; }
};

// 使用：存储int、string、自定义类
int main() {
    DynamicArray<int> arr;
    arr.push_back(10);
    arr.push_back(20);
    cout << arr[0] << endl;  // 输出10

    DynamicArray<string> strArr;
    strArr.push_back("Hello");
    strArr.push_back("World");
    cout << strArr[1] << endl;  // 输出World
    return 0;
}

优势 ：类模板让数据结构与类型解耦，避免为 int、string 等类型重复实现数组逻辑，代码量减少 90% 以上，且类型安全（避免 C 语言的void*强制转换）。

案例 6：模板特化 ------ 处理特殊类型的定制逻辑

场景 ：当模板对某个特定类型（如 bool、char*）需要特殊处理时，使用模板特化。
方案 ：为 bool 类型的交换函数增加日志记录，区分普通类型。

复制代码 
// 通用模板：交换任意类型
template <typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

// 特化版本：针对bool类型，增加调试日志
template <>
void swap<bool>(bool& a, bool& b) {
    cout << "Swapping bool values: " << a << " <-> " << b << endl;
    bool temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    bool flag1 = true, flag2 = false;
    swap(flag1, flag2);  // 调用特化版本，输出日志
    return 0;
}

优势：在保持模板通用性的同时，为特殊类型提供定制逻辑，兼顾灵活性与特殊性。

九、总结：案例中的核心思想

  1. 性能优先：内联函数用于高频小函数，模板减少代码冗余从而间接提升编译优化空间。
  2. 接口统一：默认参数和重载让函数调用更自然，模板让算法与数据结构 "一次编写，全类型适用"。
  3. 类型安全 ：模板在编译期检查类型匹配，比 C 语言的void*更安全，减少运行时错误。
  4. 代码复用：STL 和自定义模板类（如动态数组）避免重复造轮子，聚焦业务逻辑。

通过这些案例可以看出，C++ 的函数与模板特性并非 "炫技"，而是解决实际开发问题的高效工具。新手在学习时，可尝试从 "如果我要实现一个 XX 功能，应该用什么技术" 的角度出发，反向巩固语法知识，加速从 "学语法" 到 "用语法" 的过渡。

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