第六弹：深入理解 C++ 模板机制及其应用

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深入理解 C++ 模板机制及其应用

C++ 模板是实现泛型编程的重要工具，提供了代码复用、类型安全和编译期多态的能力。模板不仅让程序适应任意数据类型，还能够通过类和函数的参数化，使得编译器在编译阶段自动生成代码，减少开发过程中的重复工作。本文将详细探讨模板的各个知识点，展示如何通过模板机制编写高效、灵活的代码。

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1. 模板概述

模板是一种参数化机制，允许开发者编写与具体类型无关的通用代码。C++ 模板主要有两种类型：函数模板和类模板。

• 函数模板：用于创建可以处理多种类型参数的通用函数。
• 类模板：用于定义数据结构和成员函数可以处理多种类型的通用类。

模板允许开发者编写逻辑结构相同但数据类型不同的代码，极大地提升了代码的复用性和可扩展性。

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2. 函数模板

2.1 函数模板的定义

函数模板是为多个不同数据类型的函数创建的通用形式。通过 template （或 template ） 关键字，开发者可以定义一个接受不同类型参数的通用函数。例如：

// 函数模板的定义，T 是模板参数，可以代表任意类型
template <typename T>
T add(T a, T b) {
   
    return a + b;
}

该模板函数可以接受 int、double 甚至 string 等不同类型的参数，编译器会根据传入参数的类型生成适当的函数版本。

2.2 函数模板的调用

调用模板函数与普通函数类似。编译器会根据传入参数的类型实例化模板，并生成相应的函数。代码如下：

int main() {
   
    cout << add(1, 5) << endl;            // 调用 int 类型的模板函数
    cout << add(1.2, 2.3) << endl;        // 调用 double 类型的模板函数
    cout << add(string("Hello"), string(" World")) << endl;  // 调用 string 类型的模板函数
}

模板函数的调用规则：

1. 若存在与模板函数同名的普通函数且匹配，优先调用普通函数。
2. 若没有匹配的普通函数，编译器会实例化并调用模板函数。
3. 若需要强制调用模板函数，可使用 add(1, 2) 这样的显示模板实例化语法。

2.3 函数模板与普通函数的区别

• 模板函数不允许自动类型转换：函数模板要求参数的类型完全匹配，不能进行隐式类型转换。
• 普通函数允许自动类型转换：普通函数在传递参数时可以自动执行类型转换。

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

int my_add(int a, int b) {
   
    return a + b;
}

int main() {
   
    int x = 3;
    char c = 'a';
    cout << my_add(x, c) << endl;  // 普通函数允许自动类型转换
    // cout << myAdd(x, c) << endl; // 错误：模板函数不允许自动类型转换
}

2.4 类型模板参数与非类型模板参数

模板除了可以接受类型参数外，还可以接受非类型参数。非类型模板参数的作用是在模板中传递一些固定的值，如数组的大小等。如下例所示，nmemb 是一个非类型模板参数：

// nmemb 是非类型模板参数，表示数组的大小
template <typename T, int nmemb>
void print_arr(T a[]) {
   
    for (int i = 0; i < nmemb; i++)
        cout << a[i] << " ";
    cout << endl;
}

int main() {
   
    int arr[5] = {
   1, 2, 3, 4, 5};
    print_arr<int, 5>(arr);  // 打印数组
}

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3. 类模板

3.1 类模板的定义

类模板类似于函数模板，允许创建可以操作不同类型数据的类。通过 template ，开发者可以定义通用类，允许在类的不同实例中使用不同的数据类型。例如：

template <typename T>
class Arr {
   
public:
    Arr(int size = 0) {
   
        this->p = new T[size];
        this->size = size;
    }

    ~Arr() {
   
        delete