C++ 模板

2025 年 8 月 29 日 | 阅读 9 分钟

C++ 模板是 C++ 中新增的一个强大功能。它允许我们定义泛型类和泛型函数，从而为泛型编程提供支持。泛型编程是一种技术，其中泛型类型用作算法的参数，以便它们可以适用于多种数据类型。

模板的类型

C++ 中主要有两种类型的模板。

现在，我们将逐一讨论这些模板。

1) 函数模板

在 C++ 中，函数模板使我们能够编写可与任何数据类型一起使用的泛型函数。泛型函数定义了一组可以应用于各种数据类型的操作。

函数中使用的数据类型在编译时确定。函数调用取决于数据类型。例如，快速排序算法可以使用函数模板实现。它使相同的排序函数能够处理整数、双精度浮点数、浮点数以及其他几种数据类型的多个数组。

可以使用关键字 `template` 创建泛型函数。此关键字定义了一个模板参数，它充当数据类型的占位符。

函数模板语法

它具有以下语法：

template < class Ttype> 
ret_type func_name(parameter_list)  
{  
    // body of function.  
}  

在这个语法中，

Ttype: 它是函数使用的数据类型的占位符名称。它在函数定义内部使用。它只是一个占位符，编译器会自动用实际数据类型替换此占位符。
class: `class` 关键字用于在模板声明中指定泛型类型。

C++ 函数模板示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中的函数模板。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;    //using standard namespace

template<class T> T add(T &a,T &b)  
{  
    T result = a+b;  
    return result;  
      
}  
int main()    //Main Function
{  
  int i =2;  
  int j =3;  
  float m = 2.3;  
  float n = 1.2;  
  cout<<"Addition of i and j is : "<<add(i, j);  
  cout<<'\n';  
  cout<<"Addition of m and n is : "<<add(m, n);  
  return 0;  
}  

编译并运行

输出

Addition of i and j is : 5
Addition of m and n is : 3.5

说明

在上面的例子中，我们创建了一个函数模板，它可以对任何类型执行加法操作，无论是整数、浮点数还是双精度浮点数。

带多个参数的函数模板

在 C++ 中，我们可以通过使用逗号分隔列表来在模板函数中使用多个泛型类型。

语法

它具有以下语法：

 template<class T1, class T2,.....>
return_type function_name (arguments of type T1, T2....)
{
    // body of function.
}

在此语法中，我们看到模板函数可以接受任意数量的不同类型的参数。

C++ 带多个参数的函数模板示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中带多个参数的函数模板。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;   //using standard namespace
template<class X,class Y> 
void fun(X a,Y b)  
{  
    cout << "Value of a is: " <<a<< endl;  
    cout << "Value of b is: " <<b<< endl;  
}  

int main()   //main function
{  
   fun(15,12.3);  
   
   return 0;  
}/textarea></div>
			<a class="btn btn-apna" href="https://tpointtech.cn/cpp/tryit?program=cpp-templates2" target="_blank">Compile and Run</a></div>

			<p><strong>Output:</strong></p>

			<div class="codeblock3">
			<pre>Value of a is: 15
Value of b is: 12.3
</pre>
			</div>
<p><strong>Explanation:</strong></p>
<p>In this example, we have taken a function template with two generic types, X and Y, which allows the fun() function to accept arguments of different data types. When the fun(15, 12.3) is invoked, the compiler automatically generates a version of the function where X is int and Y is double, and it displays both values.</p>
<h3 class="h3">Function Overloading with Template</h3>
<p>In C++, we can overload the generic function. It means that the overloaded template functions can differ in the parameter list.</p>
<p><strong>C++ Overloading a Function Template Example</strong></p>
<p>Let us take an example to illustrate the overloading a function template in C++.</p>
			<div class="codewrapper">
			<h3 class="h3">Example</h3>

			<div class="codeblock"><textarea class="cpp" name="code">#include <iostream>  
using namespace std;   //using standard namespace

template<class X> 
void fun(X a)  
{  
    cout << "Value of a is : " <<a<< endl;  
}  
template<class X,class Y> void fun(X b ,Y c)  
{  
    cout << "Value of b is : " <<b<< endl;  
    cout << "Value of c is : " <<c<< endl;  
}  
int main()   //main function
{  
   fun(10);  
   fun(20,30.5);  
   return 0;  
}  

编译并运行

输出

Value of a is : 10
Value of b is : 20
Value of c is : 30.5

说明

在上面的例子中，fun() 函数的模板被重载，其中定义了两个版本的 fun() 函数。第一个接受一个泛型参数，另一个接受两个可能不同类型的泛型参数。当调用 fun(10) 时，调用单参数版本；当调用 fun(20, 30.5) 时，使用双参数版本。

函数模板的限制

在 C++ 中，函数模板不能对函数的所有版本执行相同的操作，尤其是在功能不同时。

C++ 函数模板限制示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中函数模板的限制。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;   //using standard namespace
void fun(double a)  
{  
    cout<<"value of a is : "<<a<<'\n';  
}  
  
void fun(int b)  
{  
    if(b%2==0)  
    {  
        cout<<"Number is even";  
    }  
    else  
    {  
        cout<<"Number is odd";  
    }  
  
}  
  
int main()   //main function
{  
   fun(4.6);  
   fun(6);  
   return 0;  
}  

编译并运行

输出

value of a is : 4.6
Number is even

说明

在此示例中，我们重载了普通函数。我们无法重载泛型函数，因为这两个函数具有不同的功能。第一个显示值，第二个确定数字是否为偶数。

2) 类模板

在 C++ 中，类模板也可以类似于函数模板的方式定义。当一个类使用模板的概念时，该类被称为泛型类。

我们可以为类定义一个模板。例如，可以为数组类创建一个类模板，该模板可以接受各种类型的数组，例如 int 数组、float 数组和 double 数组。

语法

template<class Ttype>
class class_name
{
  .
  .
}

在这个语法中，

Ttype: 这是一个占位符名称，将在类实例化时确定。我们可以使用逗号分隔列表定义多个泛型数据类型。Ttype 可以在类体内部使用。

现在，我们创建一个类实例

其中，

class_name: 它表示类的名称。
type: 它表示类操作的数据类型。
ob: 它表示对象的名称。

C++ 类模板示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中的类模板。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;  //using standard namespace

template<class T>  
class A   
{  
    public:  
    T num1 = 5;  
    T num2 = 6;  
    void add()  
    {  
        cout << "Addition of num1 and num2 : " << num1+num2<<endl;  
    }  
      
};  
  
int main()   //main function
{  
    A<int> d;  
    d.add();  
    return 0;  
}  

编译并运行

输出

Addition of num1 and num2 : 11

说明

在此示例中，我们为类 A 创建了一个模板。在 main() 方法内部，我们创建了名为 'd' 的类 A 的实例。

带多个参数的类模板

在 C++ 中，我们可以在类模板中使用多个泛型数据类型，每个泛型数据类型都用逗号分隔。

语法

它具有以下语法：

template<class T1, class T2, ......>   
class class_name  
{  
   // Body of the class.  
}  

C++ 带多个参数的类模板示例

让我们举一个简单的例子，当一个类模板包含两个泛型数据类型时。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;   //using standard namespace
     template<class T1, class T2>  
    class A   
    {  
         T1 a;  
         T2 b;  
         public:  
        A(T1 x,T2 y)  
       {  
           a = x;  
           b = y;  
        }  
           void display()  
          {  
                 cout << "Values of a and b are : " << a<<" ,"<<b<<endl;  
           }  
      };  
  
      int main()   //main function
     {  
           A<int,float> d(5,6.5);  
           d.display();  
           return 0;  
     } 

编译并运行

输出

Values of a and b are : 5,6.5

说明

在此示例中，我们使用了一个带有两个类型参数（T1 和 T2）的类模板，这允许我们创建具有不同数据类型的类对象。之后，类 A 存储并显示类型 T1 和 T2 的两个值。在 main() 函数中，创建了一个类型为 A 的对象 d，其值为 5 和 6.5，并且 display() 函数显示了这些值。

非类型模板参数

在 C++ 中，模板可以包含多个参数，我们还可以使用非类型参数。除了类型 T 参数之外，我们还可以使用其他类型的参数，例如字符串、函数名、常量表达式和内置类型。

语法

它具有以下语法：

template<class T, int size>
class array
{
    	T arr[size];           // automatic array initialization.
};

在上述情况下，非类型模板参数是 `size`，因此模板将数组的大小作为参数提供。

参数在创建类的对象时指定

array<int, 15> t1;                        // array of 15 integers.
array<float, 10> t2;                    // array of 10 floats. 
array<char, 4> t3;                      // array of 4 chars.              

C++ 非类型模板参数示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中的非类型模板参数。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;   //using standard namespace
template<class T, int size>  
class A   
{  
    public:  
    T arr[size];  
    void insert()  
    {  
        int i =1;  
        for (int j=0;j<size;j++)  
        {  
            arr[j] = i;  
            i++;  
        }  
    }  
      
    void display()  
    {  
        for(int i=0;i<size;i++)  
        {  
            std::cout << arr[i] << " ";  
        }  
    }  
};  
int main()   //Main Function
{  
    A<int,10> t1;  
    t1.insert();  
    t1.display();  
    return 0;  
}  

编译并运行

输出

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

说明

在此示例中，创建了一个包含非类型模板参数（即 `size`）的类模板。它在创建类 'A' 的对象时指定。

函数重载与函数模板的区别

C++ 中函数重载和函数模板之间的一些区别如下

特点	函数重载	函数模板
目的	函数重载定义了多个同名但参数不同的函数。	它允许我们编写与任何数据类型一起使用的泛型函数。
灵活性	它在显式定义重载方面具有有限的灵活性。	它对泛型编程更具灵活性。
语法	它定义了多个同名但参数不同的函数。	它使用 `template` 和其他一些类似的模板声明。
代码重复	它需要手动编写每个函数版本。	它有助于减少代码重复。
维护	它更难维护。	它易于维护。

C++ 模板选择题

1) 以下哪个选项用于泛型编程？

模块
模板
抽象类
虚函数

答案: b) 模板

2) 以下哪个选项显示了函数模板的正确语法？

template<typename T> returnType functionName(T arg)
template<class T> returnType functionName(T arg)
template<T> returnType functionName(T arg)
A 和 B 均可

答案: d) A 和 B 都对

3) 关于 C++ 中的类模板，以下哪个选项是正确的？

它们不能有成员函数
它们在使用前必须用特定类型实例化
它们只能接受一个类型参数
它们比普通类慢

答案: b) 它们在使用前必须用特定类型实例化

4) 以下代码的输出是什么？

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std; 
template<class X, class Y>
class tpoint 
{
    X a;
    Y b;
};
 
int main()  
{
   tpoint<char, char> c;
   tpoint<int, int> d;
   cout << sizeof(c) << endl;
   cout << sizeof(d) << endl;
   return 0;
}

答案: c) 2

5) 我们可以在模板中使用多类型参数吗？

是的
不能
仅适用于函数模板
仅适用于类模板

答案: a) 是

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C++ 模板

模板的类型

1) 函数模板

函数模板语法

C++ 函数模板示例

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带多个参数的函数模板

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函数模板的限制

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