目錄

一、模板編程的核心概念

1.1 什么是模板編程？

二、函數模板詳解

2.1 函數模板的定義與使用

2.1.1 基本語法

2.1.2 示例：通用交換函數

2.1.3 類型推導規則

2.2 函數模板的注意事項

2.2.1 普通函數與函數模板的調用規則

2.2.2 隱式類型轉換問題

2.2.3 函數模板的重載

三、類模板詳解

3.1 類模板的定義與使用

3.1.1 基本語法

3.1.2 示例：通用 Pair 類

3.1.3 顯式指定類型

3.2 類模板的注意事項

3.2.1 成員函數的實例化

3.2.2 分文件編寫問題

3.2.3 特化與部分特化

四、函數模板與類模板的對比

五、模板編程的常見錯誤與解決方案

5.1 錯誤：類型推導失敗

5.2 錯誤：類模板未顯式指定類型

5.3 錯誤：分文件編寫時未包含實現

六、總結

6.1 核心要點

6.2 最佳實踐

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一、模板編程的核心概念

1.1 什么是模板編程？

• 定義：模板編程是 C++ 中實現泛型編程的核心機制，通過將類型參數化，編寫與具體數據類型無關的通用代碼。
• 核心思想：
  • 函數模板：通過類型參數化，定義可適用于多種數據類型的通用函數。
  • 類模板：通過類型參數化，定義可適用于多種數據類型的通用類。
• 優勢：
  • 代碼復用：避免為每種數據類型重復編寫相同邏輯的代碼。
  • 類型安全：在編譯時檢查類型兼容性，減少運行時錯誤。
  • 靈活性：支持對任意數據類型的通用操作（如排序、查找等）。

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二、函數模板詳解

2.1 函數模板的定義與使用

2.1.1 基本語法

template <typename T>  // 或 template <class T>
返回類型 函數名(參數列表) {// 函數體
}

2.1.2 示例：通用交換函數

// 函數模板定義
template <typename T>
void mySwap(T& a, T& b) {T temp = a;a = b;b = temp;
}int main() {int x = 10, y = 20;mySwap(x, y);  // 自動類型推導：T = intstd::cout << "x = " << x << ", y = " << y << std::endl;double a = 3.14, b = 2.71;mySwap<double>(a, b);  // 顯式指定類型：T = doublestd::cout << "a = " << a << ", b = " << b << std::endl;return 0;
}

2.1.3 類型推導規則

• 自動類型推導（隱式實例化）：
  • 編譯器根據傳入參數的類型自動推導?T?的具體類型。
  • 要求：所有參數必須推導出一致的類型。
• 顯式類型指定（顯式實例化）：
  • 通過?<類型>?顯式指定模板參數的類型。
  • 適用于類型不一致或需要強制指定類型的情況。

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2.2 函數模板的注意事項

2.2.1 普通函數與函數模板的調用規則

• 優先調用普通函數：

  void myAdd(int a, int b) { /* 普通函數 */ }
  template <typename T> T myAdd(T a, T b) { return a + b; }int main() {int x = 10, y = 20;myAdd(x, y);  // 優先調用普通函數myAdd<>(x, y);  // 強制調用函數模板
  }

2.2.2 隱式類型轉換問題

• 自動類型推導不支持隱式類型轉換：

  char c = 'a';
  int a = 10;
  mySwap(a, c);  // 錯誤：無法自動推導 T 的類型
  mySwap<int>(a, c);  // 正確：顯式指定類型后允許隱式轉換

2.2.3 函數模板的重載

• 支持重載：

  template <typename T>
  void print(T a) {std::cout << "Generic print: " << a << std::endl;
  }template <>
  void print<int>(int a) {std::cout << "Specialized print for int: " << a << std::endl;
  }int main() {print(3.14);   // 調用通用模板print(10);     // 調用特化版本
  }

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三、類模板詳解

3.1 類模板的定義與使用

3.1.1 基本語法

template <typename T1, typename T2, ...>
class 類名 {// 類定義
};

3.1.2 示例：通用 Pair 類

// 類模板定義
template <typename T>
class Pair {
public:T first;T second;Pair(T a, T b) : first(a), second(b) {}void print() const {std::cout << "(" << first << ", " << second << ")" << std::endl;}
};int main() {Pair<int> p1(10, 20);          // T = intp1.print();                    // 輸出: (10, 20)Pair<std::string> p2("Hello", "World");  // T = std::stringp2.print();                    // 輸出: (Hello, World)return 0;
}

3.1.3 顯式指定類型

• 必須顯式指定類型：

  Pair<int, std::string> p3(100, "C++");  // 支持多個模板參數

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3.2 類模板的注意事項

3.2.1 成員函數的實例化

• 延遲實例化：
  • 類模板的成員函數只有在被調用時才會實例化。
  • 例如：p1.print()?會實例化?print()?函數。

3.2.2 分文件編寫問題

• 頭文件中定義全部實現：
  • 類模板的聲明和定義通常放在頭文件中，因為編譯器需要在實例化時看到完整的定義。
  • 如果分文件編寫，需使用?#include "Pair.cpp"?或使用?export template（C++11 已棄用）。

3.2.3 特化與部分特化

• 完全特化：

  template <>  // 完全特化：T = int
  class Pair<int> {
  public:int first, second;void print() const { std::cout << "Specialized Pair<int>: (" << first << ", " << second << ")" << std::endl; }
  };

• 部分特化：

  template <typename T>
  class Pair<T, T> {  // 部分特化：當兩個類型相同時
  public:T first, second;void print() const { std::cout << "Partial specialization for Pair<T, T>" << std::endl; }
  };

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四、函數模板與類模板的對比

特性	函數模板	類模板
類型參數化	函數的返回值和參數類型可參數化	類的數據成員和成員函數類型可參數化
實例化方式	自動類型推導或顯式指定	必須顯式指定類型
成員函數實例化時機	在函數調用時實例化	在成員函數被調用時實例化
分文件編寫	可分文件編寫（需包含實現文件）	通常需將定義放在頭文件中
特化支持	支持完全特化	支持完全特化和部分特化

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五、模板編程的常見錯誤與解決方案

5.1 錯誤：類型推導失敗

mySwap(10, 3.14);  // 錯誤：無法推導出一致的 T

解決方案：顯式指定類型：

mySwap<double>(10, 3.14);

5.2 錯誤：類模板未顯式指定類型

Pair p(10, 20);  // 錯誤：未指定模板參數

解決方案：顯式指定類型：

Pair<int> p(10, 20);

5.3 錯誤：分文件編寫時未包含實現

解決方案：將類模板的實現放在頭文件中，或在源文件中顯式實例化：

// Pair.cpp
template <typename T>
void Pair<T>::print() const {std::cout << "(" << first << ", " << second << ")" << std::endl;
}// 顯式實例化
template class Pair<int>;
template class Pair<std::string>;

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六、總結

6.1 核心要點

• 函數模板：通過類型參數化實現通用函數，支持自動類型推導和顯式指定類型。
• 類模板：通過類型參數化實現通用類，必須顯式指定類型，成員函數延遲實例化。
• 模板編程的優勢：代碼復用、類型安全、靈活適應多種數據類型。
• 注意事項：處理隱式類型轉換、分文件編寫問題、特化需求。

6.2 最佳實踐

• 優先使用函數模板：適用于通用算法（如排序、查找）。
• 使用類模板設計通用數據結構：如?std::vector、std::map。
• 避免過度特化：除非有特殊需求，否則保持通用性。
• 合理使用顯式實例化：減少編譯時間并避免鏈接錯誤。