C++ 模板是 C++ 中一个非常强大的功能，它允许程序员编写与类型无关的代码，即可以为不同类型的数据编写相同的代码。模板支持泛型编程，使得代码更具可复用性和可扩展性。C++ 模板主要有两种类型：函数模板和类模板。

1. 函数模板

函数模板允许你编写一个通用的函数，并能够对不同数据类型进行处理。当你使用某个类型调用模板函数时，编译器会自动生成适用于该类型的函数。

1.1 函数模板的定义

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个函数模板，计算两个数的最大值
template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

int main() {
    cout << max(3, 5) << endl;  // 使用 int 类型
    cout << max(3.5, 2.5) << endl;  // 使用 double 类型
    cout << max('a', 'b') << endl;  // 使用 char 类型
    return 0;
}

输出：

5
3.5
b

说明：

• template <typename T>：定义一个模板，其中 T 是占位符，可以代表任何类型。
• max(T a, T b)：模板函数，能够处理不同类型的数据。

1.2 函数模板的类型推导

C++ 编译器可以根据传递给模板函数的实参自动推导出模板参数的类型。

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    cout << add(3, 4) << endl;  // T 被推导为 int
    cout << add(3.5, 2.5) << endl;  // T 被推导为 double
    return 0;
}

输出：

7
6

说明：

• 编译器会根据 3 和 4 推导出 T 为 int，根据 3.5 和 2.5 推导出 T 为 double。

1.3 函数模板的显式类型指定

尽管 C++ 支持类型推导，但也可以显式指定模板参数的类型。

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    cout << add<int>(3, 4) << endl;  // 显式指定模板类型为 int
    cout << add<double>(3.5, 2.5) << endl;  // 显式指定模板类型为 double
    return 0;
}

输出：

7
6

2. 类模板

类模板与函数模板类似，它允许我们定义一个通用类，使用时可以指定不同的类型。

2.1 类模板的定义

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个类模板，表示一个盒子，能存放任意类型的元素
template <typename T>
class Box {
private:
    T value;
public:
    Box(T v) : value(v) {}
    T getValue() { return value; }
};

int main() {
    Box<int> intBox(10);  // 创建一个存放 int 类型的 Box
    Box<double> doubleBox(3.14);  // 创建一个存放 double 类型的 Box

    cout << intBox.getValue() << endl;  // 输出：10
    cout << doubleBox.getValue() << endl;  // 输出：3.14

    return 0;
}

输出：

10
3.14

说明：

• template <typename T>：定义了一个类模板，T 可以代表任意类型。
• Box(int v)：类的构造函数，初始化 value。
• T getValue()：返回存储的值。

2.2 类模板的多个参数

模板不仅可以有一个类型参数，还可以有多个类型参数。

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个类模板，表示一个箱子，能存放两个不同类型的元素
template <typename T1, typename T2>
class Pair {
private:
    T1 first;
    T2 second;
public:
    Pair(T1 f, T2 s) : first(f), second(s) {}
    T1 getFirst() { return first; }
    T2 getSecond() { return second; }
};

int main() {
    Pair<int, double> p(3, 4.5);  // 创建一个存放 int 和 double 类型的 Pair
    cout << p.getFirst() << ", " << p.getSecond() << endl;  // 输出：3, 4.5
    return 0;
}

输出：

3, 4.5

说明：

• template <typename T1, typename T2>：定义一个类模板，它接收两个类型参数 T1 和 T2。
• Pair<int, double>：创建一个 Pair 类型的对象，它存储一个 int 和一个 double 类型的值。

2.3 默认模板参数

C++ 允许在类模板中为模板参数指定默认类型。

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个类模板，带有默认类型参数
template <typename T = int>
class Box {
private:
    T value;
public:
    Box(T v) : value(v) {}
    T getValue() { return value; }
};

int main() {
    Box<> intBox(10);  // 使用默认的 int 类型
    Box<double> doubleBox(3.14);  // 显式指定 double 类型

    cout << intBox.getValue() << endl;  // 输出：10
    cout << doubleBox.getValue() << endl;  // 输出：3.14

    return 0;
}

输出：

10
3.14

说明：

• template <typename T = int>：为 T 类型指定了默认类型 int。
• Box<> intBox(10);：如果没有指定类型，T 默认是 int。

3. 模板特化（Template Specialization）

模板特化是指为特定类型提供模板的特殊实现。当你希望对某些类型提供定制化的实现时，模板特化非常有用。

3.1 函数模板特化

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

// 特化 max 函数模板为 char 类型
template <>
char max<char>(char a, char b) {
    cout << "Specialized version for char!" << endl;
    return (a > b) ? a : b;
}

int main() {
    cout << max(3, 5) << endl;  // 使用默认版本
    cout << max('a', 'b') << endl;  // 使用特化版本
    return 0;
}

输出：

5
Specialized version for char!
b

说明：

• template <> char max<char>(char a, char b)：为 char 类型特化了 max 函数模板。

3.2 类模板特化

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个类模板
template <typename T>
class Box {
private:
    T value;
public:
    Box(T v) : value(v) {}
    T getValue() { return value; }
};

// 类模板特化为 char 类型
template <>
class Box<char> {
private:
    char value;
public:
    Box(char v) : value(v) {}
    char getValue() { return value; }
    void display() { cout << "Character Box: " << value << endl; }
};

int main() {
    Box<int> intBox(10);
    Box<char> charBox('A');

    cout << intBox.getValue() << endl;  // 输出：10
    charBox.display();  // 输出：Character Box: A

    return 0;
}

输出：

10
Character Box: A

说明：

• template <> class Box<char>：特化了 Box 类模板为 char 类型，提供了额外的 display 成员函数。

4. 总结

C++ 模板是一个非常强大且灵活的功能，能够实现高效的泛型编程。模板可以分为函数模板和类模板，它们使得代码能够适应不同的数据类型。通过模板特化，我们还可以为特定类型提供特殊的实现。使用模板可以显著提高代码的重用性和可维护性。