【学习篇】第18期 C++模板

【你奶奶都能听懂的C++】第18期 C++模板

开头：

ok了，大家好久不见，今天这一期我们来学习C++中的模板知识，，废话不多说，我们直接开始

一.模板

1.概念

在 C++ 编程中，模板 (Template) 是实现泛型编程的核心工具。它允许我们编写与类型无关的通用代码，极大地提高了代码的复用性和可维护性。
这是官方的解释，第一眼看上去好比没说，下面我来举个例子带着大家理解:

假如现在我们要写一个加法计算器，可以完成两个数的相加，一般我们就会这样写：

如上图，我们可以利用函数重载来简化，可是最后写出来还是太挫了，我们就是想写两个数相加，每一个函数完成的功能是一样的，这时就要引出模板这个概念了

用你奶奶都能听懂的话来解释，模板就是一个空瓶子，你现在要完成 ”接水“ 这个操作，要接的有：酱油、水、醋、酒等等，使用模板就相当于为了完成 “接水” 这个目标我们不需要去专门准备不同的瓶子，只需要一个瓶子（一套模板）就能完成相同的操作，更通俗来讲：C++模板就是造一个通用空壳子，壳子不动，随便换里面装的东西，不用重复造新壳子。

2.用法+分类

模板分为函数模板和类模板两种
它们的本质都是编译器根据传入的类型自动生成对应版本的代码。

• template：声明这是一个模板
• typename：关键字，也可以使用class（两者在模板中完全等价）
• T：类型参数，代表一个任意的类型

（1）函数模板

函数模板允许我们定义一个通用的函数，它可以处理任意类型的数据。
像上面那个加法模拟器的例子，如果使用函数模板就可以这样写：

首先声明了一个函数模板，T 代表了我们这个函数的类型参数，像这样写，当我们调用 add 函数时，编译器会自动推导 a , b 参数的类型是什么，但是会出现这个问题

我们向 add 函数传入了 1 和 4.9 发现编译器报错了，这是为什么呢？
原因是在模板中类型参数匹配失败，add 这个函数模板类型参数只有一个 T ,传入整型 1 时，编译器会认为 类型参数 T 就是整型 int，但是第二个参数又会识别出浮点类型，所以会报错，那要怎么改呢？

如上图，那就写两个类型参数，各自匹配函数的两个参数

（2）类模板

类模板允许我们定义一个通用的类，它的成员变量和成员函数可以使用任意类型。
我们在使用C++的STL时，是不是会这样声明：

大家有没有想过，STL中给我们提供的数据结构是如何匹配上我们的参数类型的，有的同学结合之前我们手动模拟实现STL，我们可以用 typedef int/char/double Datetype ,但是仔细一想这样不能解决问题，难不成每次我们使用STL的时候还得去更改类型吗，另外对于自定义类型这样也是不行的

这就要靠模板解决，STL就是用一个个类模板实现的

这是自己模拟实现的list，可以看到类的成员变量用的就是模板的类型参数，让编译器来自动匹配

二.非类型模板参数

普通模板参数< typename T> 是「传类型」，目的是识别不同的参数类型
而非类型模板参数，是「传常量值」，目的是确定目标值

注意：非类型模板参数只能是整型家族

STL 中有个叫 array 的结构，这个就是个要提前告知数组类型和大小的数据结构

其实就是用了这样的类模板：

三.模板的特化

1.概念

模板特化，就是模板的特殊化处理，是指当模板参数为特定类型时，我们提供一个专门的实现版本。

为什么需要模板特化？
• 通用模板对于某些特定类型可能无法正确工作
• 对于某些特定类型，我们可以提供更高效的实现
• 可以针对特定类型添加额外的功能

对于模板特化可以分为：函数模板特化、类模板特化

（1）函数模板特化

函数模板特化是指为某个特定的类型提供一个专门的函数实现。

举个例子，我们要写个比较小于的函数：

但是，这是不能满足所有类型的，例如我们在类和对象这一期博客中写的日期类，这样比较就用问题，这里举另一个例子：

这里不应该是 “<” 吗， 为什么输出的是 “>”，原因是调用 lessf 函数传入的参数是 a, b 的地址，它比较是按照地址的大小来的，如果想要 lessf 函数完成自动解引用比较，可以这样进行函数特化

就是编译器识别到参数类型是我们专门写的特化类型时，就会调用这个特殊化处理过的函数

（2）类模板特化

类模板特化分为全特化和偏特化两种。

a.全特化

全特化是指为所有模板参数都提供具体的类型，即类中的所有类型参数都进行特殊处理

如上图，一旦编译器识别到传入的类型是我们特化的，就会调用特化的这个类模板

b.偏特化

偏特化是指为部分模板参数提供具体的类型，或者对模板参数进行一些限制

偏特化有两种形式：
•部分参数特化：当模板有多个参数时，只特化其中一部分
•参数范围特化：对模板参数的类型进行限制（如指针类型、引用类型等）

1.部分参数特化

、

如上图，只要第二个参数和特化版类模板匹配上，就会直接调用特化版的类

2.参数范围特化（指针类型）

如上图，也可以利用偏特化限制具体类型

四.模板分离定义

1.什么是分离编译

C++ 程序通常采用分离编译的方式：

• 将程序分为多个.cpp源文件
• 每个源文件单独编译成目标文件（.o或.obj）
• 最后将所有目标文件链接成可执行文件

2.模板的分离编译问题

模板不能像普通函数和类那样进行分离编译！

原因：
简单来说就是，模板（函数模板、类模板）本身不是可执行代码，它只是一个 “模具” ，编译器在看到模板定义时，并不知道将来会用哪些类型（int、string、自定义类等）来实例化它，因此不会生成任何具体的机器码

只有当模板被实际使用（实例化）时，编译器才会根据传入的具体类型，用这个 “蓝图” 生成一份对应类型的、真正可执行的代码。

3.解决方法

• 方法一：将模板的声明和实现都写在头文件中（推荐）
这是最常用、最简单的方法。将模板的所有代码都放在头文件中，这样当其他文件包含这个头文件时，编译器就能看到完整的模板实现，从而生成对应的代码。

• 方法 2：在模板实现文件的末尾显式实例化

五.模板总结

模板是 C++ 泛型编程的核心，它让我们能够编写与类型无关的通用代码，极大地提高了代码的复用性和可维护性。

结尾

今天这一期对C++模板的学习就到这里了，谢谢你的观看，如果对你有所帮助，感谢你的点赞收藏支持我，我主页里有更好康的哟！！

往期回顾

1.【学习篇】 第16期 全站最全七大排序超超超详解

2.【实战篇】 第13期 算法竞赛_数据结构超详解（上）

3.【实战篇】 第14期 算法竞赛_数据结构超详解（下）