C++函数模板深度解析：轻松实现代码复用

C++ 函数模板是一种强大的工具，它允许我们定义一种函数，该函数可以根据传入的类型参数而生成不同的实现。这使得我们能够编写出更通用、更可重用的代码。

函数模板的基础

函数模板的语法与普通函数的语法非常相似，只是在函数名前面加上了模板参数列表。例如，以下是一个简单的函数模板，它可以将两个任意类型的变量进行比较：

template <typename T>
bool compare(T a, T b) {
  return a == b;
}

在这个函数模板中，T 是一个模板参数，它代表了一个类型。当我们调用这个函数时，我们需要指定一个具体的类型作为 T 的值。例如，我们可以这样调用这个函数来比较两个整数：

bool result = compare<int>(1, 2);

模板参数

模板参数可以是类型参数，也可以是非类型参数。类型参数指定了函数模板可以操作的类型，而非类型参数指定了函数模板的其他属性，例如函数名、返回值类型等。

类型参数

类型参数是最常见的模板参数类型。类型参数可以是任何合法的 C++ 类型，包括内置类型、用户定义类型、指针类型、引用类型等。

例如，以下是一个函数模板，它可以对任意类型的数组进行排序：

template <typename T>
void sort(T* array, int size) {
  // 对数组进行排序
}

在这个函数模板中，T 是一个类型参数，它代表了数组的元素类型。当我们调用这个函数时，我们需要指定一个具体的类型作为 T 的值。例如，我们可以这样调用这个函数来对一个整数数组进行排序：

int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
sort<int>(array, 5);

非类型参数

非类型参数可以是任何合法的 C++ 表达式，例如常量、变量、函数指针等。

例如，以下是一个函数模板，它可以计算任意类型数组的平均值：

template <typename T, int size>
T average(T* array) {
  T sum = 0;
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    sum += array[i];
  }
  return sum / size;
}

在这个函数模板中，T 是一个类型参数，它代表了数组的元素类型。size 是一个非类型参数，它指定了数组的大小。当我们调用这个函数时，我们需要指定一个具体的类型作为 T 的值，并指定一个具体的整数作为 size 的值。例如，我们可以这样调用这个函数来计算一个整数数组的平均值：

int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
int avg = average<int, 5>(array);

函数重载

函数模板可以与函数重载结合使用。这意味着我们可以定义多个具有相同名称的函数模板，但它们具有不同的模板参数列表。例如，我们可以定义两个函数模板 compare，分别用于比较整数和浮点数：

template <typename T>
bool compare(T a, T b) {
  return a == b;
}

template <>
bool compare<float>(float a, float b) {
  return fabs(a - b) < 0.001;
}

当我们调用 compare 函数时，编译器会根据实参的类型自动选择要调用的函数模板。

函数特化

函数特化允许我们为函数模板的特定实例定义特殊的实现。例如，我们可以为 compare 函数模板定义一个特化版本，用于比较字符串：

template <>
bool compare<string>(string a, string b) {
  return a.compare(b) == 0;
}

当我们调用 compare 函数来比较两个字符串时，编译器会调用这个特化版本。

偏特化

偏特化允许我们为函数模板的特定参数类型定义特殊的实现。例如，我们可以为 compare 函数模板定义一个偏特化版本，用于比较整数和浮点数：

template <typename T>
bool compare(T a, T b) {
  return a == b;
}

template <typename T>
bool compare(T a, float b) {
  return fabs(a - b) < 0.001;
}

template <typename T>
bool compare(float a, T b) {
  return fabs(a - b) < 0.001;
}

当我们调用 compare 函数来比较一个整数和一个浮点数时，编译器会调用这个偏特化版本。

模板类

模板类与函数模板非常相似，只不过它们是类模板而不是函数模板。模板类允许我们定义一种类，该类可以根据传入的类型参数而生成不同的实现。例如，我们可以定义一个模板类 Vector，它可以存储任意类型的元素：

template <typename T>
class Vector {
public:
  // ...
};

当我们创建一个 Vector 对象时，我们需要指定一个具体的类型作为 T 的值。例如，我们可以这样创建一个存储整数的 Vector 对象：

Vector<int> vector;

模板成员函数

模板类可以具有模板成员函数。模板成员函数与普通成员函数非常相似，只是它们具有模板参数列表。例如，我们可以定义一个模板成员函数 push_back，它可以将一个任意类型的元素添加到 Vector 对象中：

template <typename T>
void Vector<T>::push_back(T value) {
  // ...
}

当我们调用 push_back 函数时，编译器会根据实参的类型自动选择要调用的函数模板。

结语

C++ 函数模板是一项强大的工具，它允许我们编写出既简洁又可重用的代码。通过理解函数模板的基础知识，我们可以编写出更优雅、更强大的 C++ 程序。