1. 泛型编程

还记得在 C 语言中，如何实现交换两个对象的函数嘛？

代码示例

// 交换两个整型变量
void Swap1(int* p1, int* p2) {
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

// 交换两个字符型变量
void Swap(char* p1, char* p2) {
	char tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

可以看到，在 C 语言中，如果我们要交换不同类型的变量，就要实现不同类型的交换函数，比如：整型交换、浮点型交换、字符型交换等等…而且传参形式必须是址传递，不能是值传递。

在 C++ 中，有了引用和函数重载以后，就方便很多了。

代码示例

// 交换两个整型变量
void Swap(int& x, int& y) {
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

// 交换两个字符型变量
void Swap(char& x, char& y) {
	char tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

但是使用函数重载几个不好的地方：

（1）重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数。

（2）代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

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（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。

所谓泛型编程：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

🍑 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。

🍑 格式

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)
{

}

代码示例

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

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

🍑 原理

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。

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 int 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 int 类型，然后产生一份专门处理 int 类型的代码，对于其他类型也是如此。

🍑 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。

🍅 隐式实例化

所谓隐式实例化，就是让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。

代码示例

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	Add(a1, a2); // 编译器根据实参a1和a2推演出模板参数为int类型
	Add(d1, d2); // 编译器根据实参d1和d2推演出模板参数为int类型

	return 0;
}

但是注意，像下面这种情况就不能成功编译

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	
	Add(a1, d1);

	return 0;
}

运行会报错：

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。

那么对于这种情况有两种处理方式：

（1）用户自己来强制转化

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;
	
	Add((double)a1, d1); // 把a1强转成double

	Add(a1, (int)d1); // 把d1强转成int

	return 0;
}

（2）使用显式实例化

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 1.1, d2 = 2.2;

	Add<int>(a1, d1); 
	
	Add<double>(a1, d1);

	return 0;
}

这两个示例是想说明，你指定的 T 必须是明确的，或者，你想让编译器自己去推，那么也必须是明确的。

🍅 显示实例化

所谓显示实例化，就是在函数名后的 < > 中指定模板参数的实际类型。

代码示例

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;

	Add<int>(a1, a1); 

	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。

🍑 模板参数的匹配原则

🍅 原则一

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。

代码示例

// 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;
}

int main()
{
	int a = 20, b = 10;

	Add(a, b); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化

	Add<int>(a, b); // 调用编译器特化的Add版本

	return 0;
}

这段代码的意思是，编译器去调用函数，如果有现成的，那么直接去使用；如果没有现成的，那么就去调用模板，实例化生成。

🍅 原则二

对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动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。

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。

代码示例

// 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;
}

int main()
{
	int a = 20, b = 10, c = 15.5;

	Add(a, b); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化

	Add(a, c); // 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

	return 0;
}

🍅 原则三

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。

代码示例

template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a = Add(2, 2.2); //模板函数不允许自动类型转换，不能通过编译
	return 0;
}

运行会报错：

3. 类模板

🍑 格式

类模板格式

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

代码示例

template<class T>
class Vector
{
public:
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

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。

还有一点需要注意的： 类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表。

代码示例

template<class T>
class Vector
{
public:
	// 构造函数
	Vector(size_t capacity = 10)
		: _pData(new T[capacity])
		, _size(0)
		, _capacity(capacity)
	{}

	// 析构函数（声明）
	~Vector();
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

// 析构函数（定义），还得加上模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()
{
	if (_pData)
		delete[] _pData;
	_size = _capacity = 0;
}

另外，模板的声明和定义可以分离，但是不支持声明和定义放到两个文件中，不然会出现链接错误：

链接不上的原因是：编译器不知道 Vector.cpp 里面 T 的实例化类型。

那么如何解决呢？

第一种，就是在 Vector.cpp 中针对于要使用的模板类型显示实例化

// 构造函数（定义）
template <class T>
Vector<T>::Vector(size_t capacity)
	: _pData(new T[capacity])
	, _size(0)
	, _capacity(capacity)
{}

// 显示实例化指定
template
class Vector <int>;

第二种，就是不要把声明和定义分离到两个文件中，直接写到 Vector.cpp 或者 Vector.h 中。

template<class T>
class Vector
{
public:
	// 构造函数（声明）
	Vector(size_t capacity = 10);
private:
	T* _pData;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

// 构造函数（定义）
template <class T>
Vector<T>::Vector(size_t capacity)
	: _pData(new T[capacity])
	, _size(0)
	, _capacity(capacity)
{}

🍑 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。

代码示例

// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> v1;
Vector<double> v2;

需要注意的是，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。