C++的模板简介

一、前言

C++的模板（Template）是C++中一种强大的特性，它允许编写泛型程序，即编写不依赖于具体类型的代码。模板提供了一种机制，可以在编译时生成针对不同数据类型的代码，而不需要重复编写相同逻辑的代码。这种机制使得代码更加灵活和可重用。

二、函数模板（Function Template）

函数模板允许我们编写与具体类型无关的函数，从而使得函数能够处理不同的数据类型。函数模板的语法格式如下：

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

template <typename T>
T max(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}int main() {int x = 10, y = 20;double a = 5.5, b = 2.3;std::cout << max(x, y) << std::endl;  // 输出 20std::cout << max(a, b) << std::endl;  // 输出 5.5return 0;
}

在这里，typename T 表示模板参数T，它是一个占位符，表示函数中可以使用任意类型。当我们调用这个函数时，编译器会根据传递的参数类型自动推导出T的具体类型。

• 模板类型参数与非类型模板参数

除了类型参数外，C++还支持非类型模板参数。非类型模板参数通常是一个整数或指针值，可以在编译时确定。例如：

template <typename T, int size>
T arraySum(T (&arr)[size]) {T sum = 0;for (int i = 0; i < size; ++i) {sum += arr[i];}return sum;
}

在这个例子中，size 是一个非类型模板参数，表示数组的大小。

• 显式指定模板参数

虽然编译器通常可以推导出模板参数，但也可以显式地指定它们：

int a = max<int>(3, 7);

三、类模板（Class Template）

类模板允许定义一个通用的类，然后可以用不同的数据类型来实例化该类。典型的例子是标准库中的 std::vector 类，它是一个类模板，可以用来存储任意类型的元素。它的语法格式跟类模板类型，下面是一个简单的类模板示例：

template <typename T>
class Pair {
public:Pair(T first, T second) : first_(first), second_(second) {}T getFirst() const { return first_; }T getSecond() const { return second_; }private:T first_, second_;
};int main() {Pair<int> intPair(1, 2);Pair<std::string> stringPair("hello", "world");std::cout << intPair.getFirst() << ", " << intPair.getSecond() << std::endl;  // 输出 1, 2std::cout << stringPair.getFirst() << ", " << stringPair.getSecond() << std::endl;  // 输出 hello, worldreturn 0;
}

• 模板特化（Template Specialization）

模板特化允许我们为特定类型提供模板的特殊实现。模板特化有两种形式：全特化和部分特化。全特化是为模板的特定类型提供完全不同的实现，下面这个例子实例化Pair< bool >时就会调用特化实现而不是通用实现：

template <typename T>
class Pair {
public:Pair(T first, T second) : first_(first), second_(second) {}T getFirst() const { return first_; }T getSecond() const { return second_; }private:T first_, second_;
};template <>
class Pair<bool> {
public:Pair(bool first, bool second) : bits((first ? 1 : 0) | (second ? 2 : 0)) {}bool getFirst() const { return bits & 1; }bool getSecond() const { return bits & 2; }private:int bits;
};

部分特化只适用于类模板，而不是函数模板，它允许为一部分模板参数提供特定实现：

template <typename T, typename U>
class Pair {
public:Pair(T first, U second) : first_(first), second_(second) {}void print() { std::cout << first_ << ", " << second_ << std::endl; }
private:T first_;U second_;
};// 部分特化版本，针对相同类型的 Pair
template <typename T>
class Pair<T, T> {
public:Pair(T first, T second) : first_(first), second_(second) {}void print() { std::cout << "Matching types: " << first_ << ", " << second_ << std::endl; }
private:T first_;T second_;
};

在这个例子中，当 Pair 的两个模板参数类型相同时，编译器会选择部分特化版本，而不是通用版本。

四、变参模板（Variadic Template）

C++11 引入了变参模板，允许模板接受可变数量的模板参数。这对处理不定数量的参数或类型非常有用。

template<typename... Args>
void print(Args... args) {(std::cout << ... << args) << std::endl;
}

在这个例子中，print函数可以接受任意数量的参数，并将它们打印出来。

五、模板的递归与元编程

模板递归和元编程是一种高级用法，允许在编译时进行复杂的计算和逻辑处理。典型的例子是计算编译时的斐波那契数列：

template<int N>
struct Fibonacci {static const int value = Fibonacci<N-1>::value + Fibonacci<N-2>::value;
};template<>
struct Fibonacci<1> {static const int value = 1;
};template<>
struct Fibonacci<0> {static const int value = 0;
};

这种编译期计算被称为模板元编程（Template Metaprogramming），用于在编译期执行逻辑判断和计算。

六、模板的局限与陷阱

编译时间: 模板实例化会增加编译时间，尤其是对于大型代码库。
代码膨胀: 模板实例化会导致二进制文件膨胀，因为每种类型的实例化都会生成独立的代码。
错误信息复杂: 当模板代码出错时，编译器产生的错误信息通常较为复杂且难以理解。

七、常用模板的实例

STL 是 C++ 标准库的一部分，其中包含了大量的模板，如 std::vector, std::map, std::set 等。这些模板类使得开发者能够方便地使用各种数据结构和算法，而不必为每种类型单独实现。

八、C++20 的概念（Concepts）

C++20 引入了概念（Concepts），使得模板的类型约束更加明确。概念是一种用于限制模板参数的特性，可以显著提高模板代码的可读性和可维护性。

template <typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {{ a + b } -> std::convertible_to<T>;
};template <Addable T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}

通过引入概念，编译器可以更早地检测出不满足条件的模板参数，从而减少复杂的编译错误信息。

九、总结

C++模板是一种功能强大且灵活的机制，能够极大地提高代码的复用性和类型安全性。模板的学习曲线较为陡峭，但一旦掌握，它将成为编写高效、通用代码的利器。C++20 的概念进一步增强了模板的表达能力，使得模板编程更加直观和强大。