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C++模板详解

  模板是C++中实现泛型编程的重要特性，它允许你编写与数据类型无关的代码。模板可以分为函数模板和类模板两种。

1. 函数模板

函数模板允许你定义一个可以处理多种数据类型的函数。

基本语法

template <typename T>
T functionName(T parameter1, T parameter2, ...) {// 函数体
}

示例

#include <iostream>// 函数模板示例：返回两个值中的较大者
template <typename T>
T max(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}int main() {std::cout << max<int>(3, 7) << std::endl;      // 输出 7std::cout << max<double>(3.2, 7.5) << std::endl; // 输出 7.5std::cout << max<char>('a', 'z') << std::endl;   // 输出 z// 编译器可以自动推导类型std::cout << max(3, 7) << std::endl;           // 输出 7std::cout << max(3.2, 7.5) << std::endl;       // 输出 7.5return 0;
}

2. 类模板

类模板允许你定义一个可以处理多种数据类型的类。

基本语法

template <typename T>
class ClassName {// 类成员
};

示例

#include <iostream>// 类模板示例：简单的数组类
template <typename T, int size>
class Array {
private:T arr[size];
public:void set(int index, T value) {if (index >= 0 && index < size) {arr[index] = value;}}T get(int index) const {if (index >= 0 && index < size) {return arr[index];}return T(); // 返回默认值}void print() const {for (int i = 0; i < size; ++i) {std::cout << arr[i] << " ";}std::cout << std::endl;}
};int main() {Array<int, 5> intArray;intArray.set(0, 10);intArray.set(1, 20);intArray.set(2, 30);intArray.print(); // 输出: 10 20 30 0 0Array<double, 3> doubleArray;doubleArray.set(0, 3.14);doubleArray.set(1, 2.71);doubleArray.print(); // 输出: 3.14 2.71 0return 0;
}

3. 模板特化

模板特化允许你为特定类型提供特殊的实现。

示例：函数模板特化

#include <iostream>
#include <cstring>// 通用模板
template <typename T>
void print(T value) {std::cout << "General: " << value << std::endl;
}// 特化版本 for const char*
template <>
void print<const char*>(const char* value) {std::cout << "Specialized for const char*: " << value << std::endl;
}int main() {print(10);           // 调用通用版本print(3.14);         // 调用通用版本print("Hello");      // 调用特化版本return 0;
}

示例：类模板特化

#include <iostream>// 通用类模板
template <typename T>
class Printer {
public:void print(T value) {std::cout << "General: " << value << std::endl;}
};// 特化版本 for bool
template <>
class Printer<bool> {
public:void print(bool value) {std::cout << "Specialized for bool: " << (value ? "true" : "false") << std::endl;}
};int main() {Printer<int> intPrinter;intPrinter.print(42); // 输出: General: 42Printer<bool> boolPrinter;boolPrinter.print(true); // 输出: Specialized for bool: truereturn 0;
}

4. 可变参数模板

C++11引入了可变参数模板，允许模板接受任意数量和类型的参数。

示例

#include <iostream>// 基础情况：没有参数时
void print() {std::cout << std::endl;
}// 可变参数模板
template <typename T, typename... Args>
void print(T first, Args... args) {std::cout << first << " ";print(args...); // 递归调用
}int main() {print(1, 2.5, "Hello", 'a'); // 输出: 1 2.5 Hello a return 0;
}

5. 模板元编程

模板可以在编译时进行计算，这被称为模板元编程。

示例：编译时阶乘计算

#include <iostream>// 模板元编程示例：编译时计算阶乘
template <int N>
struct Factorial {static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};// 特化：基本情况
template <>
struct Factorial<0> {static const int value = 1;
};int main() {std::cout << "Factorial of 5: " << Factorial<5>::value << std::endl; // 输出 120return 0;
}

6. 模板的注意事项

1. 分离编译问题：模板的定义通常需要放在头文件中，因为编译器需要看到完整的定义才能实例化模板。
2. 类型推导：编译器可以自动推导模板参数类型，但有时需要显式指定。
3. 性能：模板不会带来运行时开销，因为所有工作都在编译时完成。
4. 代码膨胀：每个不同的模板实例化都会生成新的代码，可能导致二进制文件变大。

模板是C++强大而复杂的特性，合理使用可以大大提高代码的复用性和灵活性。