C++中函数模板与类模板的简单使用

在C++中，模板是实现泛型编程的核心机制，允许开发者编写与类型无关的代码。以下是函数模板和类模板的详细介绍及实际示例。

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一、函数模板

定义

函数模板通过参数化类型实现泛型操作，只需编写一次代码即可处理多种数据类型，避免重复。

语法

template
返回类型 函数名(参数列表) { ... }

typename T 表示类型占位符，编译时根据实参类型自动实例化。

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真实示例

1. ‌交换两个值（swap）

template
void swap(T &a, T &b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

使用场景‌：交换任意类型的变量（如 int、string）。

int x = 1, y = 2;
swap(x, y);  // 自动推导为 swap

‌求最大值（max）

template
T max(const T &a, const T &b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

1. 使用场景‌：比较同类型值的最大值，要求类型支持 operator>。

2. ‌打印数组

int nums[] = {1, 2, 3};
printArray(nums);  // 推导 T=int, N=3

二、类模板

定义

类模板允许创建可处理多种数据类型的类，成员变量和函数均可使用模板参数。

语法

template
class 类名 {
    // 类成员使用 T 作为类型
};

真实示例

1. ‌动态数组（Array）

template
class Array {
private:
    T* data;
    size_t size;
public:
    Array(size_t size) : size(size), data(new T[size]) {}
    ~Array() { delete[] data; }
    T& operator[](size_t index) { return data[index]; }
    size_t getSize() const { return size; }
};

使用场景‌：存储任意类型的动态数组。

Array intArr(10);    // 存储 int 的数组
Array strArr(5);  // 存储 string 的数组

‌键值对（Pair）

template
class Pair {
public:
    T1 first;
    T2 second;
    Pair(const T1 &f, const T2 &s) : first(f), second(s) {}
};

使用场景‌：组合两个不同类型的数据（如字典条目）。

Pair student("Alice", 90);  // 姓名和分数

‌栈（Stack）

template
class Stack {
private:
    std::vector elements;
public:
    void push(const T &elem) { elements.push_back(elem); }
    T pop() {
        if (elements.empty()) throw std::out_of_range("Stack is empty!");
        T elem = elements.back();
        elements.pop_back();
        return elem;
    }
};

使用场景‌：实现泛型栈结构，支持多种数据类型。

Stack doubleStack;
doubleStack.push(3.14);

三、关键区别

特性	函数模板	类模板
类型推导	自动推导参数类型（无需显式指定）	必须显式指定类型（如 Stack）
默认模板参数	支持（C++11起）	支持（如 template）
典型应用	算法（如排序、交换）	容器（如数组、栈、队列）

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四、注意事项

1. ‌编译方式‌：模板代码通常放在头文件中，因为编译器需在编译时生成具体类型的实例化代码。
2. ‌类型约束‌：模板中的操作（如 operator>）需在类型 T 中定义，否则编译失败。
3. ‌性能‌：模板在编译时展开，无运行时开销，但可能增加代码体积。

通过合理使用模板，可以大幅提升代码复用性，同时保持类型安全和高性能。例如，标准模板库（STL）中的 vector、sort 均基于模板实现。