核心要点速览

  • 意义：将类型作为参数，实现通用逻辑，编译期生成具体类型代码
  • 分类：函数模板（可隐式实例化）、类模板（需显式实例化）
  • 模板参数：类型参数（typename T）、非类型参数（编译期常量）
  • 特化：全特化（所有参数指定类型）、偏特化（仅类模板支持，部分参数指定类型）
  • 区别：模板有类型检查，宏无；模板支持特化 / 重载，宏不支持

一、模板的意义

通过 “类型参数化” 让通用逻辑适配多种类型，既避免为不同类型重复编写相似代码（提升复用），又能在编译期进行类型检查（保证安全），且编译器会生成具体类型的代码（无运行时开销）。这也是 STL 容器（如 vector）和算法（如 sort）的实现基础。

二、函数模板

定义

生成具体函数的 “模板”，编译器根据实参类型自动实例化对应版本。

规则

  • 语法：template<模板参数列表> 返回类型 函数名(参数列表) { ... }
  • 实例化：
    • 隐式实例化：编译器根据实参推导类型（如max(1,2)推导T=int）。
    • 显式实例化：手动指定类型（如max<int>(1.5,2.5)强制T=int）。
  • 重载：支持模板间重载（参数列表 / 模板参数不同），非模板函数优先级高于模板函数。

函数模板VS模板函数

  • 函数模板是带template的 “通用模板”（比如template<typename T> T add(T a, T b)），是生成具体函数的 “模具”，本身不能直接调用。
  • 模板函数是从函数模板实例化出的 “具体函数”（比如int add(int a, int b)），是能实际调用的实体。
  • 示例说明：
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// 1. 函数模板（模板/蓝图）
template<typename T>  // 包含类型参数T，通用定义
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    // 调用时，编译器根据实参类型实例化出模板函数
    int sum1 = add(1, 2);  // 触发实例化：int add(int a, int b)（模板函数1）
    double sum2 = add(1.5, 2.5);  // 触发实例化：double add(double a, double b)（模板函数2）
    return 0;
}

三、类模板

定义

生成具体类的 “模板”，用于创建与类型相关的通用类（如vector、map）。

规则

  • 语法：template<模板参数列表> class 类名 { ... };
  • 实例化：必须显式指定模板参数（编译器无法推导），格式类名<类型>（如Vector<int>）。
  • 成员函数：类外定义时需保留模板参数（如template<typename T> void Vector<T>::push_back(T val) { ... }）。

四、模板参数：类型参数与非类型参数

1. 类型参数

  • 声明：typename或class修饰（两者等价），代表任意类型（如int、string、自定义类）。
  • 用途：最常用，适配不同数据类型。

2. 非类型参数

  • 定义：代表编译期常量（值在编译期可确定）。
  • 支持类型：整数类型（int、size_t）、全局变量 / 函数的指针 / 引用。
  • 限制：不支持浮点数、类对象（编译期无法确定值）。
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// 非类型参数示例：固定大小数组
template<typename T, int N> // N为编译期常量
class FixedArray {
    T arr[N]; // 大小由N确定
public:
    int size() { return N; }
};

五、模板特化：定制特定类型实现

为特定类型提供定制化实现，覆盖泛化版本（解决泛化模板对某些类型不适用的问题）。

1. 全特化

  • 定义：为模板所有参数指定具体类型，完全覆盖泛化版本。
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template<typename T> class Printer { /* 泛化逻辑 */ };
template<> class Printer<int> { /* int类型专属逻辑 */ }; // 全特化

2. 偏特化（仅类模板支持）

  • 定义：为模板部分参数指定具体类型，函数模板不支持偏特化。
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template<typename T> class Handler { /* 泛化逻辑 */ };
template<typename T> class Handler<T*> { /* 指针类型专属逻辑 */ }; // 偏特化

六、补充

1. 惰性实例化

模板仅实例化被使用的成员，未使用的成员不会生成代码（减少冗余）。

2. 分离编译问题

模板定义与声明不能分离到.h和.cpp（需放在同一文件，或显式实例化特定类型）。

3. 模板与宏的区别

对比维度 模板（Template） 宏（#define）
类型检查 编译期强类型检查（安全） 无类型检查（文本替换，易错）
调试支持 支持（可见具体实例化类型） 不支持（替换后无宏信息）
灵活性 支持复杂逻辑、重载、特化 仅简单文本替换（复杂逻辑易出错）
代码生成 编译期生成具体类型代码 预编译期替换，不生成新代码