《 C++ 零基础入门教程》第6章：模板与 STL 算法 —— 写一次，用万次

✅ 本篇目标：

• 理解 函数模板 与 类模板
• 掌握 STL 算法 （sort, find, for_each）
• 学会使用 lambda 表达式
• 实战项目：通用计算器 + 学生成绩排序系统
  🕒 建议学习时间：3--4 小时｜可分多次完成

💡 本篇将让你写出高度复用、类型安全、性能卓越的代码！

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📘 C++ 零基础入门教程（第 6 篇）

模板与 STL 算法 ------ 写一次，用万次

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第一步：为什么需要模板？

假设你想写一个函数，求两个数的最大值：

int max(int a, int b) { return (a > b) ? a : b; }
double max(double a, double b) { ... } // 重复！
string max(string a, string b) { ... } // 又重复！

❌ 问题：为每种类型写一遍，代码冗余，难以维护。

✅ 解决方案：函数模板（Function Template）

#include <iostream>
using namespace std;

// 模板声明
template<typename T>
T myMax(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

int main() {
    cout << myMax(3, 5) << endl;           // int
    cout << myMax(3.14, 2.71) << endl;     // double
    cout << myMax(string("Hi"), string("Hello")) << endl; // string

    return 0;
}

✅ 输出：

5
3.14
Hi

🔑 关键点：

• template<typename T> 声明一个类型参数 T
• 编译器会为每种调用类型自动生成具体函数（称为"实例化"）
• typename 也可写作 class（历史原因），但推荐用 typename

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第二步：类模板（Class Template）

同样，我们可以让类支持任意类型。

示例：通用栈（Stack）

#include <vector>
#include <stdexcept>
using namespace std;

template<typename T>
class Stack {
private:
    vector<T> data;

public:
    void push(const T& item) {
        data.push_back(item);
    }

    T pop() {
        if (data.empty()) {
            throw runtime_error("Stack is empty!");
        }
        T top = data.back();
        data.pop_back();
        return top;  // 注意：这里可能拷贝，可用移动优化（第5篇）
    }

    bool empty() const {
        return data.empty();
    }
};

// 使用
int main() {
    Stack<int> intStack;
    intStack.push(10);
    intStack.push(20);
    cout << intStack.pop() << endl; // 20

    Stack<string> strStack;
    strStack.push("Hello");
    strStack.push("C++");
    cout << strStack.pop() << endl; // C++

    return 0;
}

💡 这就是 std::stack、std::vector 的工作原理！

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第三步：STL 算法 ------ 不用手写循环！

STL 提供大量通用算法，配合容器使用，代码更简洁、高效、安全。

常用算法头文件：

#include <algorithm>  // sort, find, transform...
#include <numeric>    // accumulate

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3.1 std::sort ------ 排序

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {5, 2, 8, 1, 9};

    sort(nums.begin(), nums.end()); // 升序
    for (int x : nums) cout << x << " "; // 1 2 5 8 9

    // 降序：传入比较函数
    sort(nums.begin(), nums.end(), greater<int>());
    for (int x : nums) cout << x << " "; // 9 8 5 2 1

    return 0;
}

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3.2 自定义排序：对学生按成绩排序

class Student {
public:
    string name;
    double score;
    Student(string n, double s) : name(n), score(s) {}
};

// 方法1：重载 < 运算符
bool operator<(const Student& a, const Student& b) {
    return a.score < b.score;  // 按分数升序
}

// 方法2：用 lambda（推荐！）
int main() {
    vector<Student> students = {
        {"Alice", 95},
        {"Bob", 88},
        {"Charlie", 92}
    };

    // 使用 lambda 自定义排序规则
    sort(students.begin(), students.end(),
         [](const Student& a, const Student& b) {
             return a.score > b.score;  // 降序：高分在前
         });

    for (const auto& s : students) {
        cout << s.name << ": " << s.score << endl;
    }

    return 0;
}

✅ 输出：

Alice: 95
Charlie: 92
Bob: 88

🔥 Lambda 表达式 ：[capture](params) { body }

是一种匿名函数，特别适合传给算法！

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3.3 其他常用算法

算法	用途
find(begin, end, value)	查找元素
count(begin, end, value)	统计出现次数
accumulate(begin, end, init)	求和（需 <numeric>）
transform(...)	批量转换（如平方每个元素）

示例：计算平均分（不用手写循环）

#include <numeric>
double total = accumulate(students.begin(), students.end(), 0.0,
    [](double sum, const Student& s) {
        return sum + s.score;
    });
double avg = total / students.size();

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第四步：实战项目 1 ------ 通用计算器（模板版）

支持任意数值类型（int, double, float）的加减乘除。

// calculator.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T>
class Calculator {
public:
    static T add(T a, T b) { return a + b; }
    static T subtract(T a, T b) { return a - b; }
    static T multiply(T a, T b) { return a * b; }
    static T divide(T a, T b) {
        if (b == 0) throw invalid_argument("Division by zero!");
        return a / b;
    }
};

int main() {
    cout << "整数: " << Calculator<int>::add(3, 5) << endl;
    cout << "浮点: " << Calculator<double>::divide(10.0, 3.0) << endl;

    return 0;
}

✅ 输出：

整数: 8
浮点: 3.33333

💡 使用 static 成员函数，无需创建对象。

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第五步：实战项目 2 ------ 学生成绩分析系统（STL 算法版）

功能：

• 按成绩排序（高到低）
• 找出最高分学生
• 计算平均分
• 筛选及格学生

// grade_analysis.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>
using namespace std;

struct Student {
    string name;
    double score;
};

void analyzeGrades(vector<Student>& students) {
    // 1. 按分数降序排序
    sort(students.begin(), students.end(),
         [](const Student& a, const Student& b) {
             return a.score > b.score;
         });

    // 2. 打印排序后列表
    cout << "\n--- 排名 ---\n";
    for (size_t i = 0; i < students.size(); ++i) {
        cout << (i + 1) << ". " << students[i].name
             << " (" << students[i].score << ")\n";
    }

    // 3. 计算平均分
    double total = accumulate(students.begin(), students.end(), 0.0,
        [](double sum, const Student& s) {
            return sum + s.score;
        });
    cout << "\n平均分: " << (total / students.size()) << endl;

    // 4. 筛选及格学生（>=60）
    vector<Student> passed;
    copy_if(students.begin(), students.end(), back_inserter(passed),
            [](const Student& s) { return s.score >= 60; });

    cout << "\n及格人数: " << passed.size() << "/" << students.size() << endl;
}

int main() {
    vector<Student> students = {
        {"Alice", 95}, {"Bob", 55}, {"Charlie", 88}, {"David", 45}
    };

    analyzeGrades(students);

    return 0;
}

✅ 输出：

--- 排名 ---
1. Alice (95)
2. Charlie (88)
3. Bob (55)
4. David (45)

平均分: 70.75

及格人数: 2/4

🎯 亮点：

• copy_if + back_inserter：优雅筛选
• 全程使用 STL 算法，无手动 for 循环
• 代码清晰、高效、可读性强

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📌 本篇小结：你已掌握

概念	说明
函数模板	template<typename T> T func(T a, T b)
类模板	template<typename T> class Container { ... };
STL 算法	sort, find, accumulate, copy_if...
Lambda 表达式	[=](int x) { return x * 2; }
泛型思维	写通用代码，适配多种类型

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✅ 下一步建议

1. 尝试 ：用 transform 将所有学生成绩加 5 分
2. 思考 ：如何对 map 按 value 排序？（提示：转成 vector of pairs）
3. 预习：什么是"异常安全"？如何正确处理错误？

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