C++编程语言中模板（template）介绍

怼烎@ 2022-05-23 08:44 265阅读 0赞

本文主要介绍 C++ 编程语言中模板（template）的相关知识，同时通过示例代码介绍模板的使用方法。

# 1 概述 #

## 1.1 What ##

**泛型编程**是一种代码编写方式，通过使用泛型编程，可以编写出**独立于任何特定类型**的代码。

**模板**是泛型编程的基础，是创建泛型函数或类的蓝图（公式）。

C++ 的 STL 容器及其迭代器和算法，都是泛型编程的例子，它们都使用了模板的概念。每个容器都有一个单一的定义，比如 vector，我们可以定义许多包含不同类型元素的 vector，比如：vector <int> 或 vector <string>。

C++ 的模板包括函数模板和类模板。

注意：模板的声明或定义只能在全局、命名空间或类范围内进行，不能在局部范围、函数内进行，比如不能在 main 函数中声明或定义一个模板。

### 1.1.1 函数模板 ###

把处理不同类型的公共逻辑抽象成函数，就得到了函数模板。函数模板可以用来创建一个通用的函数，以支持多种不同类型的形参，避免重复设计重载函数的函数体。

函数模板的最大特点是把**函数使用的数据类型作为参数**。

### 1.1.2 类模板 ###

通过使用类模板，用户能够为类声明一种一般模式，使得类中的某些数据成员或者成员函数的参数、返回值取值为任意类型。

## 1.2 Why ##

C++ 是一门强类型语言，无法做到像一些动态语言（如 Python 、Javascript）那样，编写出一段“可以处理传入的**任意类型**的变量”的通用逻辑。不过，**泛型编程**弥补了 C++ 的这个缺点，通过把通用逻辑设计为模板，摆脱了类型的限制，提供了除继承机制外的另一种抽象机制，极大地提升了 C++ 代码的可重用性。

## 1.3 How ##

### 1.3.1 函数模板的格式 ###

template <typename type> ret-type func-name(parameter list)
    {
       // 函数的主体
    }

说明：

*  type 是函数所使用的数据类型的**占位符名称**，这个占位符名称可以在函数定义中使用；
 *  关键字“typename”可替换为“class”，两者作用一样；
 *  ret-type 为函数的返回值；
 *  在实际使用时，为了让代码结构更加清晰，可将上述格式改为如下格式：
    
        template <typename type>
        ret-type func-name(parameter list)
        {
           // 函数的主体
        }

### 1.3.2 类模板的格式 ###

template <typename type> class class-name {
        // 类的主体
    }

说明：

*  type 是类所使用的数据类型的**占位符名称**，这个占位符名称可以在类的定义中使用；
 *  关键字“typename”可替换为“class”，两者作用一样；
 *  在实际使用时，为了结构清晰，可将上述格式改为如下格式：
    
        template <typename type>
        class class-name {
            // 类的主体
        }

# 2 示例代码 #

## 2.1 函数模板示例代码 ##

模板函数的示例代码内容如下：

#include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    template <typename T>
    T Max(T a, T b)
    {
        return (a > b ? a : b);
    }
    
    int main()
    {
        int i = 1;
        int j = 2;
        cout << "Max(i, j) is: " << Max(i, j) << endl;
        cout << "Max<int>(i, j) is: " << Max<int>(i, j) << endl;
    
        float x = 1.1;
        float y = 2.2;
        cout << "Max(x, y) is: " << Max(x, y) << endl;
    
        return 0;
    }

编译并运行上述代码，结果如下：

![70][]

在上述结果中能够看到，通过使用函数模板，可以使函数 Max 支持多种类型（int 和 float）的参数比较，实现了泛型编程的效果。

### 2.1.1 函数模板的实参推断 ###

在前面的函数模板的代码示例中，我们使用了两种方式为函数模板指定**类型参数**（注意这种叫法），如下：

cout << "Max(i, j) is: " << Max(i, j) << endl;
    cout << "Max<int>(i, j) is: " << Max<int>(i, j) << endl;

正常情况下，使用“Max<int>(i, j)”这种形式为函数模板指定类型参数，这种方法可以理解为**显式**指定类型参数。而为了使用方便，除了显式为函数模板指定类型参数外，还可以让编译器从传递给函数的实参值推断出类型参数，这一功能被称为“模板实参推断”。如使用“Max(i, j)”这种形式时，编译器会根据 i 和 j 的实参值、推断出类型参数为 int，其效果就相当于显式指定了 int 类型。

## 2.2 类模板示例代码 ##

类模板的类声明示例代码内容如下：

#ifndef __TEMPLATE_CLASS_H__
    #define __TEMPLATE_CLASS_H__
    
    template <typename T>
    class CTmpl
    {
    public:
        // 成员函数声明
        T FunA(T a, T b);
        CTmpl();
    };
    
    #endif

类模板的类实现示例代码内容如下：

#include <iostream>
    #include "template_class.h"
    
    using namespace std;
    
    template <typename T>
    CTmpl<T>::CTmpl()
    {
    }
    
    // 成员函数的具体实现
    template <typename T>
    T CTmpl<T>::FunA(T a, T b)
    {
        return (a + b);
    }
    
    int main()
    {
        CTmpl<int> tmpl_int;
        cout << "tmpl_int.FunA(1, 2) is: " << tmpl_int.FunA(1, 2) << endl;
        CTmpl<float> tmpl_float;
        cout << "tmpl_float.FunA(1.1, 2.2) is: " << tmpl_float.FunA(1.1, 2.2) << endl;
    
        return 0;
    }

编译并运行上述代码，结果如下：

![70 1][]

在上述结果中能够看到，通过使用类模板，可以使类 CTmpl 的成员函数支持多种类型（int 和 float），实现了泛型编程的效果。

在这里需要注意**在类模板外部定义成员函数**的方法，如下：

template <typename T>
    ret-type class-name<typename T>::fun-name(parameter list)
    {
        // 函数的主体
    }

[70]: /images/20220523/67c2af9c98d84e6ab83d27bab455e93d.png
[70 1]: /images/20220523/7ab4ea56803242a9a1514dd69537c343.png