引言

模板（Template）指C++程式設計設計語言中採用型別作為引數的程式設計，支援通用程式設計。C++ 的標準庫提供許多有用的函式大多結合了模板的觀念，如STL以及IO Stream。

函式模板

在c++入門中，很多人會接觸swap(int&, int&)這樣的函式類似程式碼如下:

void swap(int&a , int& b) {
    int temp = a;
    a =  b;
    b = temp;
}

但是如果是要支援long,string,自定義class的swap函式,程式碼和上述程式碼差不多，只是型別不同，這個時候就是我們定義swap的函式模板,就可以複用不同型別的swap函式程式碼，函式模板的宣告形式如下:

template <class identifier> function_declaration;
template <typename identifier> function_declaration;

swap函式模板的宣告和定義程式碼如下:

//method.htemplate<typename T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

//method.cpp
template<typename  T> void swap(T& t1, T& t2) {
    T tmpT;
    tmpT = t1;
    t1 = t2;
    t2 = tmpT;
}

上述是模板的宣告和定義了，那模板如何例項化呢，模板的例項化是編譯器做的事情，與程式設計師無關，那麼上述模板如何使用呢，程式碼如下:

//main.cpp#include <stdio.h>
#include "method.h"
int main() {
    //模板方法     int num1 = 1, num2 = 2;
    swap<int>(num1, num2);
    printf("num1:%d, num2:%d\n", num1, num2);  
    return 0;
}

這裡使用swap函式，必須包含swap的定義，否則編譯會出錯，這個和一般的函式使用不一樣。所以必須在method.h檔案的最後一行加入#include "method.cpp"。

類模板

考慮我們寫一個簡單的棧的類，這個棧可以支援int型別，long型別，string型別等等，不利用類模板，我們就要寫三個以上的stack類，其中程式碼基本一樣，通過類模板，我們可以定義一個簡單的棧模板，再根據需要例項化為int棧，long棧，string棧。

//statck.htemplate <class T> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpptemplate <class  T>  Stack<T>::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack<T>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

上述定義了一個類模板--棧，這個棧很簡單，只是為了說明類模板如何使用而已，最多隻能支援100個元素入棧，使用示例如下:

//main.cpp#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
    Stack<int> intStack;
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    intStack.push(3);
    
    while (!intStack.isEmpty()) {
        printf("num:%d\n", intStack.pop());
    }
    return 0;
}

模板引數
模板可以有型別引數，也可以有常規的型別引數int，也可以有預設模板引數，例如

template<class T, T def_val> class Stack{...}

上述類模板的棧有一個限制，就是最多隻能支援100個元素，我們可以使用模板引數配置這個棧的最大元素數,如果不配置，就設定預設最大值為100，程式碼如下:

//statck.htemplate <class T,int maxsize = 100> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

//stack.cpptemplate <class T,int maxsize> Stack<T, maxsize>::Stack(){
   m_maxSize = maxsize;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T,int maxsize>  Stack<T, maxsize>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T,int maxsize> void Stack<T, maxsize>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T,int maxsize> T Stack<T, maxsize>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T,int maxsize> bool Stack<T, maxsize>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

使用示例如下:

//main.cpp#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main() {
    int maxsize = 1024;
    Stack<int,1024> intStack;
    for (int i = 0; i < maxsize; i++) {
        intStack.push(i);
    }
    while (!intStack.isEmpty()) {
        printf("num:%d\n", intStack.pop());
    }
    return 0;
}

模板專門化

 當我們要定義模板的不同實現，我們可以使用模板的專門化。例如我們定義的stack類模板，如果是char*型別的棧，我們希望可以複製char的所有資料到stack類中，因為只是儲存char指標，char指標指向的記憶體有可能會失效，stack彈出的堆疊元素char指標，指向的記憶體可能已經無效了。還有我們定義的swap函式模板，在vector或者list等容器型別時，如果容器儲存的物件很大，會佔用大量記憶體，效能下降，因為要產生一個臨時的大物件儲存a，這些都需要模板的專門化才能解決。

函式模板專門化

  假設我們swap函式要處理一個情況，我們有兩個很多元素的vector<int>,在使用原來的swap函式，執行tmpT = t1要拷貝t1的全部元素，佔用大量記憶體，造成效能下降，於是我們系統通過vector.swap函式解決這個問題,程式碼如下:

//method.htemplate<class T> void swap(T& t1, T& t2);

#include "method.cpp"

#include <vector>
using namespace std;
template<class T> void swap(T& t1, T& t2) {
    T tmpT;
    tmpT = t1;
    t1 = t2;
    t2 = tmpT;
}

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

template<>字首表示這是一個專門化,描述時不用模板引數，使用示例如下:

//main.cpp#include <stdio.h>
#include <vector>
#include <string>
#include "method.h"
int main() {
    using namespace std;
    //模板方法     string str1 = "1", str2 = "2";
    swap(str1, str2);
    printf("str1:%s, str2:%s\n", str1.c_str(), str2.c_str());  
    
    vector<int> v1, v2;
    v1.push_back(1);
    v2.push_back(2);
    swap(v1, v2);
    for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
        printf("v1[%d]:%d\n", i, v1[i]);
    }
    for (int i = 0; i < v2.size(); i++) {
        printf("v2[%d]:%d\n", i, v2[i]);
    }
    return 0;
}

vector<int>的swap程式碼還是比較侷限，如果要用模板專門化解決所有vector的swap，該如何做呢，只需要把下面程式碼

template<> void swap(std::vector<int>& t1, std::vector<int>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

改為

template<class V> void swap(std::vector<V>& t1, std::vector<V>& t2) {
    t1.swap(t2);
}

就可以了，其他程式碼不變。

類模板專門化

 請看下面compare程式碼:

//compare.htemplate <class T>
 class compare
 {
  public:
  bool equal(T t1, T t2)
  {
       return t1 == t2;
  }
};

#include <iostream>
#include "compare.h"
 int main()
 {
  using namespace std;
  char str1[] = "Hello";
  char str2[] = "Hello";
  compare<int> c1;
  compare<char *> c2;   
  cout << c1.equal(1, 1) << endl;        //比較兩個int型別的引數  cout << c2.equal(str1, str2) << endl;   //比較兩個char *型別的引數
  return 0;
 }

在比較兩個整數，compare的equal方法是正確的，但是compare的模板引數是char*時，這個模板就不能工作了，於是修改如下:

//compare.h#include <string.h>
template <class T>
 class compare
 {
  public:
  bool equal(T t1, T t2)
  {
       return t1 == t2;
  }
};
   

template<>class compare<char *>  {
public:
    bool equal(char* t1, char* t2)
    {
        return strcmp(t1, t2) == 0;
    }
};

main.cpp檔案不變，此程式碼可以正常工作。

模板型別轉換

還記得我們自定義的Stack模板嗎，在我們的程式中，假設我們定義了Shape和Circle類，程式碼如下:

//shape.hclass Shape {

};
class Circle : public Shape {
};

然後我們希望可以這麼使用:

//main.cpp#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
    Stack<Circle*> pcircleStack;
    Stack<Shape*> pshapeStack;
    pcircleStack.push(new Circle);
    pshapeStack = pcircleStack;
    return 0;
}

這裡是無法編譯的，因為Stack<Shape*>不是Stack<Circle*>的父類，然而我們卻希望程式碼可以這麼工作，那我們就要定義轉換運算子了，Stack程式碼如下:

//statck.htemplate <class T> class Stack {
    public:
        Stack();
        ~Stack();
        void push(T t);
        T pop();
        bool isEmpty();
        template<class T2>  operator Stack<T2>();
    private:
        T *m_pT;        
        int m_maxSize;
        int m_size;
};

#include "stack.cpp"

template <class  T>  Stack<T>::Stack(){
   m_maxSize = 100;      
   m_size = 0;
   m_pT = new T[m_maxSize];
}
template <class T>  Stack<T>::~Stack() {
   delete [] m_pT ;
}
        
template <class T> void Stack<T>::push(T t) {
    m_size++;
    m_pT[m_size - 1] = t;
    
}
template <class T> T Stack<T>::pop() {
    T t = m_pT[m_size - 1];
    m_size--;
    return t;
}
template <class T> bool Stack<T>::isEmpty() {
    return m_size == 0;
}

template <class T> template <class T2>  Stack<T>::operator Stack<T2>() {
    Stack<T2> StackT2;
    for (int i = 0; i < m_size; i++) {
        StackT2.push((T2)m_pT[m_size - 1]);
    }
    return StackT2;
}

//main.cpp#include <stdio.h>
#include "stack.h"
#include "shape.h"
int main() {
    Stack<Circle*> pcircleStack;
    Stack<Shape*> pshapeStack;
    pcircleStack.push(new Circle);
    pshapeStack = pcircleStack;
    return 0;
}

這樣，Stack<Circle>或者Stack<Circle*>就可以自動轉換為Stack<Shape>或者Stack<Shape*>,如果轉換的型別是Stack<int>到Stack<Shape>，編譯器會報錯。

其他

一個類沒有模板引數，但是成員函式有模板引數，是可行的，程式碼如下:

class Util {
    public:
        template <class T> bool equal(T t1, T t2) {
            return t1 == t2;
        }
};

int main() {
    Util util;
    int a = 1, b = 2;
    util.equal<int>(1, 2);
    return 0;
}

甚至可以把Util的equal宣告為static,程式碼如下:

class Util {
    public:
         template <class T> static bool equal(T t1, T t2) {
            return t1 == t2;
        }
};

int main() {
    int a = 1, b = 2;
    Util::equal<int>(1, 2);
    return 0;
}