news 2026/7/19 13:48:49

【 C++ 】模板初阶 —— 函数模板、类模板

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张小明

前端开发工程师

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【 C++ 】模板初阶 —— 函数模板、类模板

1.泛型编程

泛型编程:不再是针对某种类型,能适应广泛的类型

  • 如下的交换函数:
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; } ......
使用函数重载虽然可以实现,但是有一下几个不好的地方:
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++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。
模板分为如下两类:
  • 函数模板
  • 类模板

2、函数模板

2.1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。
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) { //…… } 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)

因此,交换函数就可以这样套用模板:

template<typename T>//或者template<class T> void Swap(T& left, T& right) { T tmp = left; left = right; right = tmp; }
2.3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

问题:我上述交换函数调用过程中的Swap都是调用的同一个函数吗?

当然不是,这里我三次Swap不是调用同一个函数,其实我Swap的时候根据不同的类型通过模板定制出专属你的类型的函数,然后再调用。

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,
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
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
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; }
2.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。
  • 补充:模板支持多个模板参数。
template<class K, class V> //两个模板参数 void Func(const K& key, const V& value) { cout << key << ":" << value << endl; } int main() { Func(1, 1); //K和V均int Func(1, 1.1);//K是int,V是double Func<int, char>(1, 'A'); //多个模板参数也可指定显示实例化不同类型 }

我也可以给模板参数附上缺省值,和函数里的缺省参数一样,要从右往左给缺省值。

同样我也可以全缺省,其实这里面很多都和函数里的确实参数类似,不过多赘述。 以后在模板进阶还会继续详解。

2.5模板参数的匹配原则
1.一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 }
2.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
// 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.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.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 };

如下的栈示例:

#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; // int Stack<double> st2; // double 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

4、补充

函数模板一定是推演?类模板一定是指定?

函数不一定都能推演,但是类模板一定要指定,假设有如下的函数模板:

这里的模板就推不出T的类型。因此我们就要对其显示实例化。

template<class T> T* func(int n) { return new T[n]; } int main() { //函数模板显示实例化 int* p1 = func<int>(10); double* p2 = func<double>(10); }

因此如果函数模板不能自动推演,就要显示实例化,指定模板参数。

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