【模版初阶】C++模板初探：开启泛型编程的魔法之门

艾莉丝努力练剑

发布于 2025-11-18 13:17:01

1170

文章被收录于专栏：C / C++C / C++

一、C不支持重载——代码重复问题

用C语言也是可以实现那些库的，但是非常的麻烦，而且不好用。

C语言不支持重载，会造成代码大量重复的问题，我们这里就以Swap交换为例来说明——

void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(double& left, double& right)
{
	double tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(char& left, char& right)
{
	char tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

如果每次用不同类型的Swap都要这样实现一遍实在是太麻烦了！有什么办法吗？

二、泛型编程

泛型编程——容器。

以刚才的swap代码为例——如何实现一个通用的交换函数呢？

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个不太友好的地方：

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“模具”，让编译器根据不同的类型利用该“模具”来生成代码呢？

如下图，钢水浇铸在特质模具里面，冷却后就能得到想要的现状了——

如果在C++中，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。

三、函数模版

3.1 函数模板概念

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。

3.2 函数模板格式

template<typename T1, typename T2, ... ,typename Tn>

typedef解决typedef的问题，模版template的解决template的问题。

返回值类型函数名（参数列表){}

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

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)

3.3 函数模版的原理

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。

3.4 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：隐式实例化

和显式实例化。

3.4.1 隐式实例化

隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

//隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
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;
	Add(a1, a2);
	Add(d1, d2);

//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。
//注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅
//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
	Add(a, (int)d);
	return 0;
}

3.4.2 显式实例化

显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

//显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
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，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

3.5 模板参数的匹配原则

3.5.1 非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在

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。

//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
// 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;
}

void Test()
{
	Add(1, 2);
	// 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
	Add<int>(1, 2);
	// 调用编译器特化的Add版本
}

3.5.2 其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数

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。

// 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

// 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
}

3.5.3 普通函数可以进行自动类型转换

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。

3.5.4 模板参数可以给缺省

3.6 T

四、类模版

大对象、深拷贝——传值传参代价太大（要加&，不改变加const）。

严格来说模版类是实例化之后的叫模版类，模版函数是函数模版，实例化之后的叫模版函数。

4.1 类模板的定义格式

4.1.1 模版不支持声明和定义分离到两个不同文件（.h和.cpp）

//泛型编程
//模版不支持声明和定义分离到两个不同文件（.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>//给缺省，全缺省
class A
{
public:
	T x1;
	T x2;
};

template<class T1, class T2 = int>//半缺省
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> st1;	//存double
	st1.Push(1.1);
	st1.Push(2.1);
	st1.Push(3.1);

	//stack<int> st;

	A<> aa1;
	A<double> aa2;

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

	return 0;
}

4.1.2 定义格式

定义格式如下所示——

//类模版
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
	// 类内成员定义
};

#include<iostream>
using namespace std;
// 类模版
template<typename T>
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 4)
	{
		_array = new T[capacity];
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const T& data);
private:
	T* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
// 模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp会出现链接错误，具体原因后面会讲
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data)
{
	// 扩容
	_array[_size] = data;
	++_size;
}
int main()
{
	Stack<int> st1;    
	// 存int
	Stack<double> st2; 
	// 存double
	return 0;
}

4.2 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。

//类模版的实例化
// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1;    
// 存int
Stack<double> st2; 
// 存double

五、本文完整代码展示

Test.cpp：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS  1
#include<iostream>
using namespace std;

void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(double& left, double& right)
{
	double tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

void Swap(char& left, char& right)
{
	char tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

////函数模版
////泛型编程
//template<typename T>
////template<class T>
//void Swap(T& x, T& y)
//{
//	T tmp = x;
//	x = y;
//	y = tmp;
//}
//
//int main()
//{
//	int i = 1, j = 2;
//	Swap(i, j);
//
//	char c1 = 'z', c2 = 'y';
//	Swap(c1, c2);
//
//	//Swap(i, c2);
//	//类型不同
//
//	return 0;
//}

//template<class T>
//T Add(const T& left, const T& right)
//{
//	return left + right;
//}
//
//template<class T>
//void Func(size_t n)
//{
//	T* ptr = new T[n];
//	cout << ptr << endl;
//	// ...
//}
//
//int main()
//{
//	int a1 = 10, a2 = 20;
//	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
//
//	//隐式实例化（实参类型，推导模版参数类型）
//	cout << Add(a1, a2) << endl;
//	cout << Add(d1, d2) << endl;
//
//	cout << Add((double)a1, d1) << endl;
//	cout << Add(a1, (int)d1) << endl;
//	//强制类型转换
//
//	//显示实例化
//	cout << Add<int>(a1, a2) << endl;
//	cout << Add<double>(d1, d1) << endl;
//
//	Func<int>(10);
//	Func<double>(10);
//
//	return 0;
//}

////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
////type——形状
//template<class T1,class T2>
//T2 Add(const T1& left, const T2& right)
//{
//	return (left + right) * 10;
//}
//
//int main()
//{
//	int a1 = 10, a2 = 20;
//	double d1 = 10.2, d2 = 20.3;
//
//	//隐式实例化(实参类型，推导模版参数类型)
//	cout << Add(a1, a2) << endl;
//	cout << Add<int>(a1, a2) << endl;
//	cout << Add(d1, d2) << endl;
//
//	return 0;
//}

////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
////type——形状
//template<class T1, class T2>
//T2 Add(const T1& left, const T2& right)
//{
//	return (left + right) * 10;
//}
//
//int main()
//{
//	cout << Add(1, 2) << endl;
//	cout << Add(1, 2.1) << endl;
//
//	return 0;
//}

////模版：（1）函数模版；（2）类模版
//
//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()
//{
//	Stack st1;//存int
//	Stack st2;//存double
//
//	return 0;
//}

//泛型编程
//模版不支持声明和定义分离到两个不同文件（.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>//给缺省，全缺省
class A
{
public:
	T x1;
	T x2;
};

template<class T1, class T2 = int>//半缺省
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> st1;	//存double
	st1.Push(1.1);
	st1.Push(2.1);
	st1.Push(3.1);

	//stack<int> st;

	A<> aa1;
	A<double> aa2;

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

	return 0;
}