C++从入门到实战(十三)C++函数模板与类模板初阶讲解

C++从入门到实战(十三)C++函数模板与类模板初阶讲解

  • 前言
  • 一、为什么需要模板
    • [1. 函数重载的问题](#1. 函数重载的问题)
    • [2. 泛型编程和模板的作用](#2. 泛型编程和模板的作用)
  • 二、函数模板
    • [2.1 函数模板格式](#2.1 函数模板格式)
    • [2.2 函数模板的原理](#2.2 函数模板的原理)
    • [2.3 函数模板的实例化](#2.3 函数模板的实例化)
    • [2.4 模板参数的匹配原则](#2.4 模板参数的匹配原则)
      • [1. 非模板函数与同名函数模板共存](#1. 非模板函数与同名函数模板共存)
      • [2. 调用时的优先选择规则](#2. 调用时的优先选择规则)
      • [3. 类型转换规则差异](#3. 类型转换规则差异)
  • 三、类模板
    • [3.1 类模板是什么?](#3.1 类模板是什么?)
    • [3.2 类模板的定义格式](#3.2 类模板的定义格式)
    • [3.3 类模板的实例化:从 "模具" 生成具体类](#3.3 类模板的实例化:从 “模具” 生成具体类)
    • [3.4 类模板的注意事项](#3.4 类模板的注意事项)
      • 1.模板参数声明不能省略
      • [2. 声明和定义不能分离到.h 和.cpp](#2. 声明和定义不能分离到.h 和.cpp)
      • [3. 支持多个模板参数](#3. 支持多个模板参数)

前言

  • 在上一篇博客中,我们围绕 C/C++ 内存管理展开讨论,深入解析了内存分布模型、C 与 C++ 内存管理的核心差异,并初步认识了 C++ 中new与delete的基本用法,为理解 C++ 内存管理体系打下基础。
  • 从本文开始,我们将暂别内存管理主题,转而聚焦 C++ 模板编程的核心模块 ------函数模板初阶

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一、为什么需要模板

1. 函数重载的问题

在C++里,要是你想实现交换两个变量值的功能,对不同类型的变量(像intdoublechar),就得写不同的Swap函数

  • 就像下面这样:
cpp 复制代码
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;
 }

不过,这种函数重载的做法存在一些弊端:

  • 代码复用率低 :这些重载函数只是处理的变量类型不同,代码的逻辑是一样的。要是以后有新的类型,就得手动再写对应的Swap函数。
  • 可维护性差 :如果其中一个Swap函数出了问题,可能所有重载函数都得检查一遍,因为它们的代码逻辑本质相同,一处出错可能其他地方也有类似问题。

2. 泛型编程和模板的作用

为了解决上面的问题,C++引入了泛型编程的概念

  • 泛型编程的目标是编写和具体类型无关的通用代码,以此实现代码复用。而模板就是泛型编程的基础。

可以把模板想象成一个模具。当你需要不同类型的具体代码时,就往这个模具里填入不同的"材料"(也就是类型),这样就能得到不同"材料"的"铸件"(也就是具体类型的代码)。

比如,使用模板来实现Swap函数:

现在看一下,后面我们会详细讲解

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

这里的template <typename T>就声明了一个模板,T是一个类型参数,它代表任意类型。在使用这个Swap函数时,编译器会根据传入的变量类型,自动用具体类型替换T,生成对应的代码。这样就不用为每种类型都写一个单独的函数,既提高了代码复用率,也让代码更易于维护。

二、函数模板

  • 函数模板就像是一个函数家族,它和具体的类型没关系。在使用的时候,会根据传入的实参类型,生成特定类型的函数版本。

2.1 函数模板格式

函数模板的定义格式是:template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>,后面接着返回值类型、函数名和参数列表。

  • 比如Swap函数模板:
cpp 复制代码
template<typename T>
void Swap( T& left,  T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

这里的typename是用来定义模板参数的关键字,也能用class,但不能用struct代替class

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

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
int main() {
    int a = 5, b = 10;
    cout << "Before swap: a = " << a << ", b = " << b << endl;
    Swap(a, b);  // 调用模板函数,传入int类型的参数
    cout << "After swap: a = " << a << ", b = " << b << endl;
    return 0;
}

2.2 函数模板的原理

  • 函数模板就像一个蓝图,它本身不是真正的函数,而是让编译器根据使用方式生成特定类型函数的模具。

  • 这样就把原本我们要做的重复工作交给了编译器。

  • 在编译阶段,编译器会根据传入的实参类型,推演出对应的类型,然后生成专门处理该类型的代码。

  • 例如用double类型使用模板时,编译器会把T确定为double类型,生成处理double类型的代码

2.3 函数模板的实例化

  • 用不同类型的参数使用函数模板,就叫做函数模板的实例化。
  • 分为隐式实例化和显式实例化。

(1)隐式实例化:

让编译器根据实参来推导出模板参数的实际类型。比如Add函数模板:

cpp 复制代码
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

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;
    cout << Add(a1, a2) << endl;
    cout << Add(d1, d2) << endl;
}
  • 当我们写成这样时
cpp 复制代码
 int a1 = 10, a2 = 20;
 double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
 Add(a1, d1);
  • 编译器会报错,因为编译器无法确定T是int还是double
  • 处理方式:需要自己强制转换
  • 在模板里,编译器一般不会进行类型转换,怕出问题。

(2)显式实例化:

在函数名后的<>里指定模板参数的实际类型。

  • 比如:
cpp 复制代码
int main(void)
{
    int a = 10;
    double b = 20.0;
    // 显式实例化
    Add<int>(a, b);
    return 0;
}

如果类型不匹配,编译器会尝试隐式类型转换,转换不成功就会报错

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

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}

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

2.4 模板参数的匹配原则

1. 非模板函数与同名函数模板共存

  • 在 C++ 里,一个非模板函数和同名的函数模板能够同时存在。
  • 而且函数模板可以实例化为与非模板函数相同功能的函数。
cpp 复制代码
#include <iostream>

// 专门处理 int 类型的加法非模板函数
int Add(int left, int right) {
    return left + right;
}

// 通用加法函数模板
template<class T>
T Add(T left, T right) {
    return left + right;
}

int main() {
    // 调用 Add(1, 2),会和非模板函数匹配
    std::cout << "调用 Add(1, 2) 的结果: " << Add(1, 2) << std::endl;
    // 调用 Add<int>(1, 2),会调用编译器特化的 Add 版本
    std::cout << "调用 Add<int>(1, 2) 的结果: " << Add<int>(1, 2) << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中,定义了一个专门处理 int 类型的非模板 Add 函数,以及一个通用的 Add 函数模板。

  • 当调用 Add(1, 2) 时,由于实参类型是 int,编译器会优先选择非模板函数。而调用 Add<int>(1, 2) 时,明确指定了使用函数模板 ,编译器会对模板进行实例化,生成处理 int 类型的函数。

2. 调用时的优先选择规则

当非模板函数和同名函数模板其他条件相同时,调用时会优先选择非模板函数

  • 不过,要是模板能产生更匹配的函数,就会选择模板。下面通过代码来进一步说明:
cpp 复制代码
#include <iostream>

// 专门处理 int 类型的加法非模板函数
int Add(int left, int right) {
    return left + right;
}

// 通用加法函数模板,可处理不同类型的参数
template<class T1, class T2>
auto Add(T1 left, T2 right) {
    return left + right;
}

int main() {
    // 调用 Add(1, 2),和非模板函数完全匹配
    std::cout << "调用 Add(1, 2) 的结果: " << Add(1, 2) << std::endl;
    // 调用 Add(1, 2.0),模板函数能生成更匹配的版本
    std::cout << "调用 Add(1, 2.0) 的结果: " << Add(1, 2.0) << std::endl;
    return 0;
}

在这段代码中,调用 Add(1, 2) 时,实参类型都是 int,与非模板函数完全匹配,所以会调用非模板函数

  • 而调用 Add(1, 2.0) 时,实参类型分别是 intdouble,非模板函数无法直接匹配,此时模板函数能生成更匹配的版本,编译器就会选择模板函数进行实例化并调用。

3. 类型转换规则差异

模板函数不允许自动类型转换,而普通函数可以进行自动类型转换。

cpp 复制代码
#include <iostream>

// 普通加法函数
int Add(int left, int right) {
    return left + right;
}

// 函数模板
template<class T>
T Add(T left, T right) {
    return left + right;
}

int main() {
    int a = 1;
    double b = 2.0;
    // 普通函数可以进行自动类型转换
    std::cout << "普通函数调用 Add(a, b) 的结果: " << Add(a, b) << std::endl;
    // 模板函数不允许自动类型转换,下面这行代码会报错
    // std::cout << "模板函数调用 Add(a, b) 的结果: " << Add(a, b) << std::endl;
    // 若要使用模板函数,需手动进行类型转换
    std::cout << "模板函数调用 Add(a, static_cast<int>(b)) 的结果: " << Add(a, static_cast<int>(b)) << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中,调用普通函数 Add(a, b) 时,编译器会自动将 double 类型的 b 转换为 int 类型。

  • 而调用模板函数 Add(a, b) 时,由于模板函数不允许自动类型转换,会导致编译错误。若要使用模板函数,需要手动进行类型转换,如 Add(a, static_cast<int>(b))

三、类模板

3.1 类模板是什么?

  • 想象你要做一个 "栈"(Stack)类,用来存储数据。

  • 如果数据可能是整数、小数、字符等不同类型,难道要为每种类型写一个独立的Stack类吗

  • 类模板就是解决这个问题的 "通用模具":它定义一个与类型无关的类,通过传入具体类型,生成针对该类型的专属类。

3.2 类模板的定义格式

cpp 复制代码
template <class T1, class T2, ..., class Tn> // 模板参数列表,T是类型占位符
class 类模板名 {
    // 类的成员(变量/函数)可以使用T1、T2等模板参数
    // 例如:成员变量类型是T,成员函数参数类型是T&
};
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T> // 等价于template <class T>,T代表任意类型
class Stack {
public:
    // 构造函数:初始化数组和容量
    Stack(size_t capacity = 4) {
        _array = new T[capacity]; // 数组元素类型是T
        _capacity = capacity;
        _size = 0;
    }
    // 声明成员函数(参数类型是T&)
    void Push(const T& data); // 向栈中添加数据

private:
    T* _array; // 存储数据的数组,类型是T*
    size_t _capacity; // 容量
    size_t _size; // 已存储元素数量
};

// 类外定义成员函数时,需要再次指定模板参数
template <class T> // 必须重复模板参数声明
void Stack<T>::Push(const T& data) { // 用Stack<T>表明这是T类型的成员函数
    if (_size < _capacity) {
        _array[_size] = data; // 存入数据,类型是T
        _size++;
    }
}

3.3 类模板的实例化:从 "模具" 生成具体类

类模板本身不是真正的类,必须通过实例化指定具体类型,才能生成可用的类

  • 语法:类模板名<具体类型> 对象名;
  • 显式指定类型:必须在类名后用<>明确写出类型(不能像函数模板那样隐式推导)。
  • 生成专属类:每个不同的类型实例化,都会生成一个独立的类。
    例如上面代码中的
cpp 复制代码
int main() {
    Stack<int> st1;    // 实例化出存储int的栈类,生成Stack<int>类
    Stack<double> st2; // 实例化出存储double的栈类,生成Stack<double>类
    st1.Push(10);      // 向int栈中添加数据
    st2.Push(3.14);    // 向double栈中添加数据
    return 0;
}
  • Stack是模板名,不是类型;Stack才是具体的类型(就像 "模具压出的产品")。
  • 每个实例化的类(如Stack<int>、Stack<double>)都是独立的,互不干扰。

3.4 类模板的注意事项

1.模板参数声明不能省略

  • 在类外定义成员函数时,必须像template <class T>一样重复声明模板参数,否则编译器不知道T是什么。

2. 声明和定义不能分离到.h 和.cpp

  • 模板需要在编译阶段根据实例化的类型生成代码,如果声明在.h、定义在.cpp,编译器可能找不到定义,导致链接错误。

3. 支持多个模板参数

  • 可以定义多个类型参数,例如:
cpp 复制代码
template <class T, class U> // 两个类型参数T和U
class Pair {
    T first;
    U second;
};
Pair<int, double> p(10, 3.14); // 实例化时传入两个类型

以上就是这篇博客的全部内容,下一篇我们将继续探索C++中STL更多精彩内容。

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