C++：模板——详解函数模板与类模板

1. 模板的概念

C++的模板（Templates）是泛型编程的基础，它允许编写与类型无关的代码，从而提高代码的复用性和灵活性。通过模板，你可以编写一种通用的函数或类，而不需要为每种特定的数据类型单独定义多个函数或类。这种机制主要分为函数模板和类模板。

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性

2. 函数模板

函数模板可以用于编写可以接受不同类型参数的函数。你定义一次模板，编译器会根据你调用时的参数类型自动生成相应的函数版本。其基本语法如下：

template <typename T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}

解释：

template – 声明创建模板
typename – 表明其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替
T – 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

这里的template <typename T>声明了一个模板，T是模板参数，表示一种泛型类型。函数add会根据实际调用时的参数类型推导出T，比如当你传递两个整数时，T是int类型；当你传递两个浮点数时，T是float类型：

int x = add(5, 3);       // T是int
double y = add(5.2, 3.8); // T是double

2.1 两种方式使用函数模板

自动类型推导：myswap(a,b);
显示指定类型：myswap<int>(a,b);

注意事项：

自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T，才可以使用
模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用

2.2 普通函数与函数模板区别

普通函数调用时可以发生自动类型转换（隐式类型转换）
函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换
如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换

2.3 普通函数与函数模板的调用规则

如果函数模板和普通函数都可以实现（同名且参数个数相同），优先调用普通函数

可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板

void myPrint(int a,int b){cout<<"调用普通函数"<<endl;
}template<typename T>
void myPrint(T a,T b){cout<<"调用模板函数"<<endl;
}int main(){myPrint(a,b);  //优先调用普通函数myPrint<>(a,b);  //通过空模板参数列表强制调用函数模板
}

函数模板也可以发生重载
如果函数模板可以产生更好的匹配，优先调用函数模板

2.4 模板的局限性

模板并不是万能的，有些特定数据类型，需要用具体化方式做特殊实现

3. 类模板

3.1 基本概念

类模板与函数模板类似，但用于类的定义。使用类模板，可以创建一个通用的类，允许在实例化时为类指定不同的数据类型。其基本语法如下：

template <typename T>
class Box {
private:T value;
public:Box(T v) : value(v) {}T getValue() { return value; }
};

在上面的示例中，Box是一个类模板，T是一个泛型类型。你可以在创建Box对象时为T指定不同的类型：

Box<int> intBox(123);      // T是int
Box<double> doubleBox(45.6); // T是double

3.2 类模板与函数模板区别

类模板没有自动类型推导的使用方式
类模板在模板参数列表中可以有默认参数

template<class NameType,class AgeType = int> //模板参数列表有默认参数
class Person {
public:Person(NameType name, AgeType age) {this->name = name;this->age = age;}void showPerson() {cout << "姓名：" << name << "，年龄：" << age << endl;}NameType name;AgeType age;
};
int main()
{//Person p("孙悟空",1000);  //错误，无法用自动类型推导//Person<string, int> p("孙悟空",1000);  //正确，只能用显示指定类型Person<string> p("猪八戒",999);  //由于模板参数列表有默认参数，所以只需要指出string即可，函数模板不能这么用p.showPerson();return 0;
}

3.3 类模板中成员函数创建时机

普通类中的成员函数一开始就可以创建
类模板中的成员函数在调用时才创建

3.4 类模板对象做函数参数

template<class T1,class T2>
class Person{
public:T1 name;T2 age;Person(T1 name,T2 age){this->name = name;this->age = age;}void showPerson(){cout << "name："<<this->name<<"  age："<<this->age<<endl;}
};

类模板实例化出的对象，向函数传参的方式

指定传入的类型 – 直接显示对象的数据类型（使用广泛）

void printPerson1(Person<string,int>&p){  //指定传入的类型p.showPerson();
}
int main()
{Person<string,int> p("孙悟空",18);printPerson1(p);
}

参数模板化 - 将对象中的参数变为模板进行传递

template<class T1,class T2>
void printPerson2(Person<T1,T2>&p){  //参数模板化p.showPerson();cout << "T1 的类型为：" << typeid(T1).name() << endl;  //得到T1的类型
}
int main()
{Person<string,int> p("白骨精",18);printPerson2(p);
}

整个类模板化 - 将这个对象类型模板化进行传递

template<class T>
void printPerson3( T &p ){    //整个类模板化p.showPerson();
}
int main()
{Person<string,int> p("牛魔王",18);printPerson3(p);
}

3.5 类模板与继承

注意：

当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型

template<class T>
class Base {T m;
};
//class Son : public Base { };//报错：必须要知道父类中的T类型才能继承给子类
class Son : public Base<int> {};
int main() {Son s1;
}

如果不指定，编译器无法给子类分配内存

如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板

template<class T>
class Base {T m;
};template<class T1,class T2>
class Son2 : public Base<T1> {T2 obj;
};int main()
{Son2<int,char> S2;
}

3.6 类模板成员函数类外实现

template<class T1,class T2>
class Person {
public:Person(T1 name, T2 age);void showPerson();T1 name;T2 age;
};template<class T1,class T2>
Person<T1,T2>::Person(T1 name, T2 age)   //注意Person后必须写一个模板参数列表
{this->name = name;this->age = age;
}template<class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()  //   //注意Person后必须写一个模板参数列表
{cout << "name：" << this->name << " age：" << this->age << endl;
}int main() {Person<string,int> p("沙和尚",18);p.showPerson();
}

3.7 类模板分文件编写

类模板成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到

解决方法：

方法一：直接包含.cpp源文件
方法二：将函数声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制

3.8 类模板与友元

全局函数类内实现：直接在类内声明友元即可

全局函数类外实现：需要提前让编译器知道全局函数的存在

4. class和typename

在C++模板的声明中，class和typename都是用于定义类型参数的关键字，它们的功能几乎完全相同。也就是说，在模板的上下文中，使用class和typename来表示模板参数时，它们是可以互换的。

template <class T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}template <typename T>
T multiply(T a, T b) {return a * b;
}

上面两个模板函数，一个使用class声明类型参数，另一个使用typename，但它们的效果完全相同。T在这两种情况下都表示一个类型参数，编译器会根据你传递的参数类型来推导T的具体类型。

区别：

尽管class和typename在大多数情况下是可以互换的，但它们之间有一些细微的区别和约定：

历史原因：在最早的C++标准中，class是最早引入模板时用来定义类型参数的关键字。后来，C++标准委员会为了更加语义化和明确，才引入了typename。因此，class作为模板类型参数的关键字更多是历史遗留，而typename则从语义上更符合“表示类型”的含义。
在嵌套依赖类型中，必须使用typename：在某些复杂的模板表达式中，特别是涉及到嵌套类型时，typename是必须的。例如，处理模板参数中包含的嵌套类型时，你必须用typename来明确告知编译器该嵌套依赖的标识符是一个类型，而不是一个变量或其他符号。

例如：
```
template <typename T>
void func() {typename T::value_type val;  // 必须用typename，表明T::value_type是一个类型
}
```
在这里，typename是必需的，因为T::value_type可能是一个类型名称。编译器需要通过typename来确认这个符号确实是一个类型，而不是某个成员变量。