C++ 模板詳解（一）：函數模板、類模板、模板參數全面指南

模板核心概念

模板：對類型進行參數化的工具，實現與類型無關的代碼。

• 函數模板：僅參數類型不同
• 類模板：僅數據成員和成員函數類型不同

限制：模板聲明/定義只能在全局、命名空間、類作用域，不能在函數內部（如 main 中）。

一、函數模板

語法格式

template <class T1, class T2, ...>
返回類型 函數名(參數列表) { 函數體 }

• class 可用 typename 替換，此處無區別
• 模板形參用於返回類型、參數列表、函數體
• 編譯器根據實參類型隱式推演 實例化具體函數

經典示例

// swap 模板
template <class T>
void swap(T& a, T& b) {
    T tmp = a; a = b; b = tmp;
}

// max 模板
template <typename T>
const T& myMax(const T& a, const T& b) {
    return a > b ? a : b;
}

int main() {
    cout << myMax(2.1, 2.2) << endl;       // 隱式推演 double
    cout << myMax<double>(2.1, 2.2) << endl; // 顯式指定 double
    cout << myMax<int>(2.1, 2.2) << endl;    // 顯式指定 int，實參轉換為 2
}

注意

• 不存在 swap(int, int) 這樣的調用，只能通過實參推演或顯式模板實參
• 同一模板形參對應的所有實參類型必須一致

二、類模板

語法格式

template <class T1, class T2, ...>
class ClassName { ... };

對象創建

A<int> obj1;           // 一個模板參數
A<int, double> obj2;   // 多個參數，用逗號分隔

• 類模板必須顯式指定類型，不存在實參推演
• A<2> obj; 錯誤，模板參數必須是類型

類外定義成員函數

template <class T1, class T2>
返回類型 ClassName<T1, T2>::func(參數列表) { ... }

注意：template 後的參數列表必須與類定義一致，類名需帶上模板參數。

完整示例：參數化棧

template <class T, int MAXSIZE>
class MyStack {
    T elems[MAXSIZE];  // 非類型參數作為數組大小（編譯期常量）
    int size;
public:
    MyStack() : size(0) {}
    void push(const T&);
    void pop();
    T top() const;
    bool empty() const { return size == 0; }
    bool full() const { return size == MAXSIZE; }
};

template <class T, int MAXSIZE>
void MyStack<T, MAXSIZE>::push(const T& e) {
    if (full()) throw out_of_range("stack full");
    elems[size++] = e;
}
// pop, top 類似...

三、模板參數的三種類型

1. 類型參數

template <class T> void func(T a, T b);  // 調用 func(2, 3.2) 編譯錯誤：T 不能同時是 int 和 double

類模板成員函數無此限制：A<int> a; a.func(2, 3.2) 運行時第二參數轉為 int。

2. 非類型參數（內置類型參數）

template <class T, int N> class Buffer { T data[N]; };

• 定義內部是 常量值
• 允許類型：整型、指針、引用（不允許 float、string、類對象）
• 實參必須是編譯期常量表達式：
  • 全局變量/對象的地址或引用
  • const 變量
  • sizeof 結果
  • 局部變量、全局指針/變量/對象 不是 常量表達式

3. 模板模板參數

參數本身是模板，如 template <template <class> class Container> class Wrapper。較高級，此處略過。

非類型參數允許的轉換

總結

• 函數模板依賴實參推演，類模板需顯式指定類型
• 非類型參數擴展了模板表達力（如數組大小、編譯期常量）
• 模板定義通常放在頭文件，聲明與實現不可分離
• 掌握模板參數分類與轉換規則，是精通 C++ 泛型編程的基石