🎯 本节目标

• 📚 理解泛型编程的思想
• 🛠️ 掌握函数模板的定义与使用
• 🏗️ 掌握类模板的定义与实例化
• 💡 理解模板的实例化与匹配原则

1. 🧬 泛型编程

在C++中，我们经常需要实现功能相同但类型不同的函数，比如一个交换函数。使用函数重载虽然可以实现，但存在以下问题：

1. 代码复用率低：重载的函数仅仅是类型不同，只要有新类型出现，就需要用户自己增加对应的函数。
2. 可维护性低：一个出错可能所有的重载均出错。

void Swap(int& left, int& right)
{
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
// ...... 每增加一种类型，就要写一个重载函数

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料（类型），来获得不同材料的铸件（即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

2. 📐 函数模板

2.1 函数模板概念

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

2.2 函数模板格式

template<typename T1, typename T2, ......, typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){
    // 函数体
}

注意：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以使用class（切记：不能使用struct代替class）。

2.3 函数模板的原理

那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。 所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。

template<typename T>
void Swap( T& left,  T& right)
{
    T temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此。

2.4 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

1. 隐式实例化

让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}
int main()
{
    int a1 = 10, a2 = 20;
    double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
    Add(a1, a2);
    Add(d1, d2);
    /*
     该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型
     通过实参 a1将 T推演为 int，通过实参 d1将 T推演为 double类型，但模板参数列表中只有一个 T，
     编译器无法确定此处到底该将 T确定为 int 或者 double类型而报错
    注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅
     Add(a1, d1);
    */
    // 此时有两种处理方式： 1. 用户自己来强制转化  2. 使用显式实例化
    Add(a, (int)d);
    return 0;
}

2. 显式实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型。

int main(void)
{
    int a = 10;
    double b = 20.0;
    // 显式实例化
    Add<int>(a, b);
    return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

2.5 模板参数的匹配原则

1. 优先匹配非模板函数：一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调用时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。

// 专门处理 int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
    return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
    return left + right;
}
void Test()
{
    Add(1, 2);       // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
    Add<int>(1, 2);  // 调用编译器特化的 Add版本
}

2. 模板可以生成更匹配的版本：如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板。

// 专门处理 int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
    return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
    return left + right;
}
void Test()
{
    Add(1, 2);     // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
    Add(1, 2.0);   // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的 Add函数
}

3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

3. 🏛️ 类模板

3.1 类模板的定义格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
    // 类内成员定义
};

下面是一个动态顺序表的类模板示例：

// 动态顺序表
// 注意： Vector不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
template<class T>
class Vector
{
public :
    Vector(size_t capacity = 10)
        : _pData(new T[capacity])
        , _size(0)
        , _capacity(capacity)
    {}
    // 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
    ~Vector();
    void PushBack(const T& data)；
    void PopBack()；
    // ...
    size_t Size() {return _size;}
    T& operator[](size_t pos)
    {
        assert(pos < _size);
        return _pData[pos];
    }
private:
    T* _pData;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
};
// 注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
    if(_pData)
        delete[] _pData;
    _size = _capacity = 0;
}

3.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

// Vector类名， Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

📝 小总结

模板是C++泛型编程的基石，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。

• 函数模板：用于生成一系列重载函数，编译器会根据实参类型自动推导或显式指定类型来实例化。
• 类模板：用于生成一系列类型安全的类，实例化时必须显式指定类型。
• 核心思想：将重复的、与类型相关的代码编写工作，从程序员手中转移给编译器。

💼 经典面试题

面试题 1：什么是模板？它有什么作用？

解答：模板是C++中实现泛型编程的一种机制。它允许程序员编写与类型无关的通用代码（如函数或类），然后由编译器根据实际使用的类型自动生成具体的代码。模板的主要作用是提高代码的复用性，减少重复代码，并增强代码的可维护性。

面试题 2：函数模板的隐式实例化和显式实例化有什么区别？

解答：

• 隐式实例化：编译器根据函数调用时传入的实参类型，自动推导出模板参数的类型，并生成对应的函数代码。例如 Add(a1, a2)，编译器会从a1和a2的类型推导出T的类型。
• 显式实例化：程序员在调用函数时，在函数名后使用尖括号<>明确指定模板参数的类型。例如 Add<int>(a, b)，明确告诉编译器将T实例化为int类型。显式实例化常用于需要强制类型转换或避免类型推导歧义的场景。

面试题 3：当存在一个同名的普通函数和一个函数模板时，编译器会如何选择？

解答：编译器遵循以下匹配原则：

1. 如果参数类型与普通函数完全匹配，则优先调用普通函数，而不会从模板实例化出一个新函数。
2. 如果模板函数可以实例化出一个参数匹配更精确的版本，那么编译器会选择模板生成的函数。
3. 普通函数支持隐式类型转换，而模板函数在实例化时通常不进行隐式类型转换，这也会影响编译器的选择。

面试题 4：类模板和函数模板在实例化方式上有什么不同？

解答：

• 函数模板：支持隐式实例化（编译器根据实参推导）和显式实例化（程序员指定类型）。
• 类模板：不支持隐式实例化。因为类模板没有函数调用那样的实参来推导类型，所以必须由程序员在创建对象时显式实例化，即在类名后使用尖括号<>指定具体的类型，例如 Vector<int>。