《C++ 模板：泛型编程的核心》

news2025/7/18 2:51:57

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 7
    std::cout << max<double>(3.2, 7.5) << std::endl; // 输出 7.5
    std::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 7
    std::cout << max(3.2, 7.5) << std::endl;       // 输出 7.5
    return 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 0
    
    Array<double, 3> doubleArray;
    doubleArray.set(0, 3.14);
    doubleArray.set(1, 2.71);
    doubleArray.print(); // 输出: 3.14 2.71 0
    
    return 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: 42
    
    Printer<bool> boolPrinter;
    boolPrinter.print(true); // 输出: Specialized for bool: true
    
    return 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 120
    return 0;
}