万能钥匙:解锁 C++ 模板的无限可能

夜雨声烦1413

发布于 2026-01-12 15:45:22

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1.泛型编程

在C语言阶段,我们交换两个数通过使用指针来进行交换，在C++阶段,有了引用以后,我们可以通过使用引用来交换两个数.

1.1:交换两个数(C语言)

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

void Swap(int *e1,int *e2)
{
	int temp = *e1;
	*e1 = *e2;
	*e2 = temp;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("交换前:a = %d, b = %d\n", a, b);
	Swap(&a, &b);
	printf("交换后:a = %d, b = %d\n", a, b);

	return 0;
}

1.2:交换两个数(C++)

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

void Swap(int &e1,int &e2)
{
	int temp = e1;
	e1 = e2;
	e2 = temp;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("交换前:a = %d, b = %d\n", a, b);
	Swap(a,b);
	printf("交换后:a = %d, b = %d\n", a, b);

	return 0;
}

但是,有个通病,如果这样子的话,针对不同的数据类型,我们每次在进行交换的时候,需要分别单独造轮子,那么极其不方便.

1.3:泛型编程

void Swap(int & element1,int & element2)
{
	int temp = element1;
	element1 = element2;
	element2 = temp;
}

void Swap(double & element1,double & element2)
{
	double temp = element1;
	element1 = element2;
	element2 = temp;
}
void Swap(char & element1, char & element2)
{
	char temp = element1;
	element1 = element2;
	element2 = temp;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有几个不好的地方：

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++ 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),那么会省力很多, 巧的是 前人早已将树栽好，我们只需要在此乘凉.

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

2:函数模板

2.1:函数模板的概念

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.

2.2:函数模板的格式

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

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

/*
* typename是用来定义模板参数的关键字,也可以使用class
*/
template<typename T>
void Swap(T & element1,T & element2)
{
	T temp = element1;
	element1 = element2;
	element2 = temp;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	double c = 0.0;
	double d = 0.0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("交换前:a = %d, b = %d\n", a, b);
	Swap(a,b);
	printf("交换后:a = %d, b = %d\n", a, b);
	scanf("%lf %lf", &c, &d);
	printf("交换前:c = %lf, d = %lf\n", c, d);
	Swap(c,d);
	printf("交换后:c = %lf, d = %lf\n", c, d);

	return 0;
}

2.3:函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢?瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了一句结论:懒人创造世界.

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.

2.4:模板的实例化

编译通过推出类型,用函数模板,生成对应的函数,这个过程叫做模板实例化.

2.4.1:隐式实例化

概念:隐式实例化,由编译器根据实参来推演模板参数的实际类型.

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

template <class T>

T Add(const T & element1,const T & element2)
{
	return element1 + element2;
}


int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//隐式实例化,由编译器根据实参来推演模板参数的实际类型
	cout << Add(a1, a2) << endl;
	cout << Add(d1, d2) << endl;
	return 0;
}

2.4.2:显式实例化:在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型.

2.4.2.1:代码1

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

template <class T>

T Add(const T & element1,const T & element2)
{
	return element1 + element2;
}


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

	/*
	* 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,编译器就会当背锅侠了
	*/
	cout << Add(a1, d2);
	return 0;
}

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~ PS: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，编译器就成了背锅侠~

2.4.2.2:代码2(强制类型转换)

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

template <class T>
T Add(const T& element1, const T& element2)
{
	return element1 + element2;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//方案一强制类型转换
	cout << Add(a1, (int)d2) << endl;
	return 0;
}

2.4.2.3:代码3(显式实例化)

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型. PS: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

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

template <class T>
T Add(const T& element1, const T& element2)
{
	return element1 + element2;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//显式实例化
	cout << Add<int>(a1, d2) << endl;
	return 0;
}

2.5:模板参数的匹配规则

1.一个非模板参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非模板函数即有现成的,匹配现成的~
2.对于非模板函数与同名函数模板,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是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,那么将会选择模板即有现成的,但是不能够匹配,有模版的前提下,就会选择自己实例化模板~

2.5.1:代码1(有现成的,匹配现成的)

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

template <class T>
T Add(T& element1,T& element2)
{
	return element1 + element2;
}

int Add(int & element1,int & element2)
{
	return element1 + element2;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//有现成的,匹配现成的
	cout << Add(a1, a2) << endl;
	return 0;
}

2.5.2:代码2(有现成的,但是不能够匹配,有模版的前提下,就会选择自己实例化模板)

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

template <class T>
T Add(T& element1,T& element2)
{
	return element1 + element2;
}

int Add(int & element1,int & element2)
{
	return element1 + element2;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.1, d2 = 20.1;
	//有现成的,但是不能够匹配,有模版的前提下,就会选择自己实例化模板
	cout << Add(d1, d2) << endl;
	return 0;
}

3.:类模板

3.1:类模板的定义格式

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

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面跟<>,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.

3.2.1:代码1

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

template <class T>

class Stack
{
public:
	void Push(const T & data)
	{
		///
	}
private:
	int* _Node;
	int  _top;
	int  _capacity;
};

int main()
{
	//同一个模板显示实例化出的两个不同类型
	Stack<int> st1;
	Stack<double> st2;

	return 0;
}

3.2.2:代码2(类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表)

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

template <class T>

class Stack
{
public:
	//进行生命
	void Push(const T& data);
private:
	int* _Node;
	int  _top;
	int  _capacity;
};

/注意:类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& data);

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