模板概念

C++ 模板（Templates）是 C++ 中一种强大的工具，用于实现泛型编程。模板允许编写与类型无关的代码，从而可以重用代码，并在编译时生成特定类型的代码。这种机制可以用于函数、类和别名模板等。

1. 什么是模板？

模板是一种用于创建通用代码的机制，它允许我们编写一次代码，然后用不同的数据类型来使用它，而不需要重复编写相同的逻辑。例如，可以使用模板创建一个可以处理 int、double、char 等类型的函数或类。

2. 函数模板

函数模板是用于生成可以接受不同类型参数的函数的模板。其语法如下：

template<typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

在这个示例中：

template<typename T> 声明了一个模板，T 是一个占位符类型。
add 函数的参数类型和返回类型都是 T，这意味着它可以处理任何类型的数据，只要这些数据支持 + 操作符。

函数模板的使用

int main() {
    int x = 10, y = 20;
    double a = 1.5, b = 2.5;

    std::cout << add(x, y) << std::endl; // 输出 30
    std::cout << add(a, b) << std::endl; // 输出 4.0

    return 0;
}

在编译时，编译器会根据调用 add 函数时传递的参数类型来实例化模板，为 int 和 double 类型生成对应的函数。

3. 类模板

类模板允许我们创建能够处理不同类型数据的类。其语法如下：

template<typename T>
class MyClass {
public:
    T value;

    MyClass(T v) : value(v) {}

    T getValue() const {
        return value;
    }
};

在这个示例中：

template<typename T> 声明了一个类模板。
MyClass 是一个模板类，其中 T 是一个占位符类型，代表可以由用户指定的任何类型。
value 成员变量和 getValue 函数的返回类型都依赖于 T。

类模板的使用

int main() {
    MyClass<int> obj1(10);
    MyClass<double> obj2(3.14);

    std::cout << obj1.getValue() << std::endl; // 输出 10
    std::cout << obj2.getValue() << std::endl; // 输出 3.14

    return 0;
}

当创建 MyClass<int> 时，T 被替换为 int；创建 MyClass<double> 时，T 被替换为 double。这意味着可以用相同的类模板处理不同类型的数据。

4. 模板的特化

模板特化允许我们为特定类型提供专门的实现。它分为完全特化和部分特化。

4.1 完全特化

完全特化是为某个特定的类型提供模板的特定实现。

template<>
class MyClass<char> { // 为 char 类型提供特化版本
public:
    char value;

    MyClass(char v) : value(v) {}

    char getValue() const {
        return value;
    }

    void print() const {
        std::cout << "Char value: " << value << std::endl;
    }
};

4.2 部分特化

部分特化是为某些类型提供特定的实现，而不是为所有类型。

template<typename T>
class MyClass<T*> { // 为指针类型提供特化版本
public:
    T* value;

    MyClass(T* v) : value(v) {}

    T* getValue() const {
        return value;
    }
};

5. 模板的使用场景

通用算法：如排序、搜索等算法可以使用模板来处理不同类型的数据。
容器类：如 std::vector、std::list、std::map 等 STL 容器类都是模板类，它们可以存储不同类型的数据。
智能指针：如 std::unique_ptr、std::shared_ptr，它们是模板类，可以管理不同类型的资源。

6. 模板的限制与注意事项

编译时间增长：模板的实例化发生在编译时，因此可能导致编译时间增长。
错误信息复杂：模板编程的错误信息有时非常复杂，难以理解和调试。
代码膨胀：如果使用大量的模板实例化，可能导致编译出来的二进制文件变大。

7. 进阶：模板编程中的一些重要概念

7.1 模板元编程（Template Metaprogramming）

模板元编程是一种编写在编译时执行计算的代码的技术。例如，可以使用模板计算在编译时的常量，或进行条件编译。

template<int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

int main() {
    std::cout << "Factorial of 5: " << Factorial<5>::value << std::endl; // 输出120
    return 0;
}