别再用函数重载堆代码了！C++ 模板初阶教程：原理 + 实例 + 避坑，新手也能秒懂

LOTSO

发布于 2025-10-29 15:02:12

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前言：

如果你在写 C++ 代码时，曾为了实现 “交换 int、double、char 类型变量” 而重复写 3 个几乎一样的 Swap 函数，也曾因函数重载太多导致维护时牵一发而动全身 —— 那你一定不能错过 “模板” 这个神器。

一.泛型编程

--我们来思考一下，如何实现一个通用的交换函数呢？

#include<iostream>
using namespace std;

//我们使用之前学过的函数重载，但是也还是比较麻烦
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;
}

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

int main()
{
	int i = 1, j = 2;
	Swap(i, j);

	char c1 = 'z', c2 = 'y';
	Swap(c1, c2);

	//Swap(i, c2);//类型不匹配

	return 0;
}

使用函数重载虽可以实现，但是有以下几个不好的地方：

1.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
2.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？

如果在C++,也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码)，那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

二.函数模板

--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。

2.1 函数模板格式

template<typename T1.<typename T2，……，typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){}

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

int main()
{
	int i = 1, j = 2;
	Swap(i, j);

	char c1 = 'z', c2 = 'y';
	Swap(c1, c2);

	//Swap(i, c2);//类型不匹配

	return 0;
}

注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

2.2 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调供调用。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类型确定为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。

2.3 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式类型实例化和显示实例化。

2.3.1 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

#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 = 10.1, d2 = 20.1;

	//隐式实例化(实参类型，推导模板参数类型)
	cout << Add(a1, a2) << endl;
	cout << Add(d1, d2) << endl;

	/*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,这个后面再讲
	cout << Add((double)a1, d2) << endl;
	cout << Add(a1, (int)d2) << endl;
}

2.3.2 显示实例化：在函数名后的<>中的指定模板参数的实际类型

#include<iostream>
using namespace std;

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

//这样使用也是可以的，但是必须显示实例化
template<class T>
void Func(size_t n)
{
	T* ptr = new T[n];
	cout << ptr << '\n';
	//……
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//显示实例化
	//先解决一下上面提到过的那个问题
	cout << Add<int>(a1, d2) << endl;
	cout << Add<double>(a1, d2) << endl;

	Func<int>(10);
	Func<double>(10);
	
	return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

2.4 模板参数的匹配原则

2.4.1 情况一

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

#include<iostream>
using namespace std;

// 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)*10;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;

	cout << Add(a1, a2) << endl;//与非模板函数匹配，编译器不需要特化
	cout << Add<int>(a1, a2) << endl;//调用编译器特化的Add版本

	return 0;
}

2.4.2 情况二

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

#include<iostream>
using namespace std;
// 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

三.类模板

3.1 类模板的定义格式

// 类模板
#include<iostream>
using namespace std;

typedef int T;

template<class T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t n = 4)
		:_a(new T[n])
		,_top(0)
		,_capacity(n)
	{}
private:
	T* _a;
	size_t _top;
	size_t _capacity;
};

int main()
{
	//这里必须显示实例化，指明对象
	Stack<int> st1;  // 存int
	Stack<double> st2;  // 存double

	return 0;
}

使用场景：

 //泛型编程
 //模板不支持声明和定义分离定义.h 和 .cpp
template<class T>
class Stack
{
public:
	//Stack(size_t n = 4)
	//	:_a(new T[n])
	//	, _top(0)
	//	, _capacity(n)
	//{}

	//void Push(const T& x)
	//{
	//	// 扩容
	//	// ...
	//	_a[_top++] = x;
	//}

	Stack(size_t n = 4);
	void Push(const T& x);

private:
	T* _a;
	size_t _top;
	size_t _capacity;
};

template<class T>
Stack<T>::Stack(size_t n)
	:_a(new T[n])
	, _top(0)
	, _capacity(n)
{
}

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
	// 扩容
	// ...
	_a[_top++] = x;
}

// #include<stack>

template<class T = int>
class A
{
public:
	T x1;
	T x2;
};

template<class T1, class T2 = int>
class B
{
public:
	T1 x1;
	T2 x2;
};

int main()
{
	// 显示实例化
	Stack<int> st1;		// 存int
	st1.Push(1);
	st1.Push(2);
	st1.Push(3);

	Stack<double> st2;  // 存double
	st2.Push(1.1);
	st2.Push(2.1);
	st2.Push(3.1);

	// stack<int> st;

	A<> aa1;
	A<double> aa2;

	B<double> bb1;
	B<double, double> bb2;

	return 0;
}

3.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

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

结尾：

往期回顾：

《吃透 C++ 类和对象（中）：拷贝构造函数与赋值运算符重载深度解析》

《吃透 C++ 类和对象（中）：const 成员函数与取地址运算符重载解析》

《吃透 C++ 类和对象（下）：从初始化列表到编译器优化，7 大核心考点让你彻底告别面试卡壳！》

《从崩溃到精通：C++ 内存管理避坑指南，详解自定义类型 new/delete 调用构造 / 析构的关键逻辑》

结语：如果你在实践中遇到了 “模板实例化报错”“类模板分离编译链接失败” 等问题，欢迎在评论区留言讨论。也可以收藏这篇文章，后续复习模板初阶知识时，它会是一个不错的参考。最后，学习编程的核心是 “动手实践”，赶紧把文中的代码敲一遍，感受模板带来的高效与优雅吧！

✨把这些内容吃透超牛的！放松下吧✨ ʕ˘ᴥ˘ʔ づきらど

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原始发表：2025-09-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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