引言

模板（template）指C++程序设计语言中采用类型作为参数的程序设计，支持通用程序设计。C++的标准库提供许多有用的函数大多结合了模板的概念，如STL 以及 IO Stream。

函数模板

在C++入门中，很多人会接触swap(int&, int&) 这样的函数，类似代码如下：

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

但是如果是要支持long，string，自定义class的swap函数，代码和上述代码差不多，只是类型不同，这个时候就是我们定义swap 的函数模板，就可以复用不同类型的swap函数代码，函数模板的声明形式如下：

template <class identifier> function_declaration;
template <typename identifier> function_declaration;

swap函数模板的声明和定义代码如下：

//method.h
template <typename T> void swap(T& t1, T& t2);#include "method.cpp"

// method.cpp
template <typename T>
void swap(T &t1, T &t2){T tmpT; tmpT = t1; t1 = t2;t2 = tmpT;
}

上述是模板的声明和定义了，那模板如何实例化呢，模板的实例化是编译器做的事情，与程序员无关，那么上述模板如何使用呢，代码如下：

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include "method.h"int main(){// 模板方法int num1 = 1, num2 = 2;swap<int>(num1, num2);printf("num1:%d, num2:%d", num1, num2);return 0;
}

这里使用 swap 函数，必须包含swap的定义，否则编译会出错，这个和一般的函数使用不一样。所以必须在 method.h 文件的最后一行加入 “#include <method.cpp>”。

类模板

考虑我们写一个简单的栈的类，这个栈可以支持int类型，long类型，string类型等，不利用类模板，我们就要写三个以上的stack类，其中代码基本一样，通过类模板，我们可以定义一个简单的栈模板，再根据需要实例化为int栈，long栈，string栈。

// stack.h
template <class T>
class Stack{private: T *m_pT; int m_maxSize;int m_size;public:Stack();~Stack();void push(T t);T pop();bool isEmpty();
}
#include "stack.cpp"

// stack.cpp
template <class T>
Stack<T>::Stack(){m_maxSize = 100;m_size = 0;m_pT = new T[m_maxSize];
}template <class T>
Stack<T>::~Stack(){delete []m_pT;
}template <class T>
void Stack<T>::push(T t){m_size ++;m_pT[m_size - 1] = t;
}template <class T>
T Stack<T>::pop(){T t = m_pT[m_size - 1];m_size --;return t;
}template <class T>
bool Stack<T>::isEmpty(){return m_size == 0;
}

上述定义了一个类模板–栈，这个栈很简单，只是为了说明类模板如何使用而已，最多只能支持100个元素入栈，使用示例如下:

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"int main(){Stack<int> intStack;intStack.push(1);intStack.push(2);intStack.push(3);while(! intStack.isEmpty()){printf("num:%d\n", intStack.pop());}return 0;
}

模板参数

模板可以有类型参数，也可以有常规的类型参数int，也可以有默认模板参数，例如

template <class T, T def_val> class Stack{...}

上述类模板的栈有一个限制，就是最多只能支持100个元素，我们可以使用模板参数配置这个栈的最大元素数,如果不配置，就设置默认最大值为100，代码如下:

// stack.h
template <class T, int maxsize = 100> class Stack{private:T *m_pT;int m_maxSize;int m_size;public:Stack();~Stack();void push(T t);T pop();bool isEmpty();
};#include "stack.cpp"

// stack.cpp
template <class T, int maxsize>
Stack<T, maxsize>::Stack(){m_maxSize = maxsize;m_size = 0;m_pT = new T[m_maxsize];
}template <class T, int maxsize>
Stack<T, maxsize>::~Stack(){delete []m_pT;
}template <class T, int maxsize>
void Stack<T, maxsize>::push(T t){m_size ++;m_pT[m_size - 1] = t;
}template <class T, int maxsize>
T Stack<T, maxsize>::pop(){T t = m_pT[m_size - 1];m_size --;return t;
}template <class T, int maxsize>
bool Stack<T, maxsize>::isEmpty(){return m_size == 0;
}

使用示例如下:

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main(){int maxsize = 1024;Stack<int, 1024> intStack;for(int i=0; i<maxsize; i++){intStack.push(i);}while(!intStack.isEmpty()){printf("num:%d\n", intStack.pop());}return 0;
}

模板专门化

当我们要定义模板的不同实现，我们可以使用模板的专门化。例如我们定义的stack类模板，如果是char*类型的栈，我们希望可以复制char的所有数据到stack类中，因为只是保存char指针，char指针指向的内存有可能会失效，stack弹出的堆栈元素char指针，指向的内存可能已经无效了。还有我们定义的swap函数模板，在vector或者list等容器类型时，如果容器保存的对象很大，会占用大量内存，性能下降，因为要产生一个临时的大对象保存a，这些都需要模板的专门化才能解决。

函数模板专门化

假设我们swap函数要处理一个情况，我们有两个很多元素的vector,在使用原来的swap函数，执行tmpT = t1要拷贝t1的全部元素，占用大量内存，造成性能下降，于是我们系统通过vector.swap函数解决这个问题,代码如下:

// method.h
template <class T> void swap(T &t1, T &t2);
#include "method.cpp"

#include <vector>
using namespace std;template <class T>
void swap(T &t1, T &t2){T tmpT;tmpT = t1;t1 = t2;t2 = tmpT;
}template <>
void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2){t1.swap(t2);
}

template<>前缀表示这是一个专门化,描述时不用模板参数，使用示例如下:

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include <vector>
#include <string>
#include "method.h"int main(){using namespace std;// 模板方法string str1 = "1", str2 = "2";swap(str1, str2);printf("str1:%s, str2:%s\n", str1.c_str(), str2.c_str());vector<int> v1, v2;v1.push_back(1);v2.push_back(2);swap(v1, v2);for(int i=0; i<v1.size(); i++){printf("v1[%d]: %d\n", i, v1[i]);}for(int i=0; i<v2.size(); i++){printf("v2[%d]: %d\n", i, v2[i]);}return 0;
}

vector的swap代码还是比较局限，如果要用模板专门化解决所有vector的swap，该如何做呢，只需要把下面代码

template <>
void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2){t1.swap(t2);
}

改为

template <class V>
void swap(std::vector<V>& t1, std::vector<V>& t2){t1.swap(t2);
}

就可以了，其他代码不变。

类模板专门化，请看下面的 compare 代码：

//compare.h
template <class T>
class compare{public:bool equal(T t1, T t2){return t1==t2;}
}

#include <iostream>
#include "compare.h"int main(){using namespace std;char str1[] = "Hello";char str2[] = "Hello";compare<int> c1;compare<char *> c2;cout << c1.equal(1, 1) << endl; // 比较两个int类型的参数cout << c2.equal(str1, str2) << endl; // 比较两个char *类型的参数return 0;
}

在比较两个整数，compare的equal方法是正确的，但是compare的模板参数是char*时，这个模板就不能工作了，于是修改如下:

// compare.h
#include <string.h>template <class T>
class compare{public:bool equal(T t1, T t2){return t1==t2;}
};template <>
class compare{public:bool equal(char* t1, char* t2){return strcmp(t1, t2) == 0;       }
}

main.cpp文件不变，此代码可以正常工作。

模板类型转换

还记得我们自定义的Stack模板吗，在我们的程序中，假设我们定义了Shape和Circle类，代码如下:

// shape.h
class Shape{};
class Circle : public Shape{};

然后我们希望可以这么使用：

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"int main(){Stack<Circle*> pcircleStack;Stack<Shape*> pshapeStack;pcircleStack.push(new Circle);pshapeStack = pcircleStack;return 0;
}

这里是无法编译的，因为Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父类，然而我们却希望代码可以这么工作，那我们就要定义转换运算符了，Stack代码如下:

// stack.h
template <class T>
class Stack{public:Stack();~Stack();void push(T t);T pop();bool isEmpty();template <class T2> operator Stack<T2>();private:T *m_pT;int m_maxSize;int m_size;
};
#include "stack.cpp"

template <class T>
Stack<T>::Stack(){m_maxSize = 100;m_size = 0;m_pT = new T[m_maxSize];
}template <class T>
Stack<T>::~Stack(){delete[] m_pT;
}template <class T>
void Stack<T>::push(T t){m_size ++;m_pT[m_size - 1] = t;
}template <class T>
T Stack<T>::pop(){T t = m_pT[m_size - 1];m_size --;return t;
}template <class T>
bool Stack<T>::isEmpty(){return m_size == 0;
}template <class T>
template <class T2> Stack<T>::operator Stack<T2>(){Stack<T2> StackT2;for(int i=0; i<m_size; i++){StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);}return StackT2;
}

// main.cpp
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"int main(){Stack<Circle*> pcircleStack;Stack<Shape*> pshapeStack;pcircleStack.push(new Circle);pshapeStack = pcircleStack;return 0;
}

这样，Stack或者Stack<Circle*>就可以自动转换为Stack或者Stack<Shape*>,如果转换的类型是Stack到Stack，编译器会报错。

其他

一个类没有模板参数，但是成员函数有模板参数，是可行的，代码如下:

class Util{public:template <class T> bool equal(T t1, T t2){return t1==t2;}
};int main(){Util util;int a=1, b=2;util.equal<int>(a, b);return 0;
}

甚至可以把Util的equal声明为static,代码如下:

class Util{public:template <class T> static bool equal(T t1, T t2){return t1==t2;}
};int main(){int a=1, b=2;Util::equal<int>(1, 2);return 0;
}

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