1 模板编程之模板的基本概念

在C++中，模板是一种非常强大而灵活的编程工具。它允许我们编写与类型无关的代码，从而实现代码的重用。在本节中，我们将深入探讨模板的基本概念，并通过一些实例来帮助理解。

什么是模板？

模板是一种C++机制，它允许程序员定义函数和类的通用版本。通过使用模板，我们可以编写仅需编写一次的代码，而无需为不同的数据类型重复编写。

函数模板

函数模板是一种允许函数在调用时接受不同数据类型的机制。我们可以用template关键字来定义函数模板。

以下是一个简单的函数模板示例，它用于计算两个值的最大值：

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main() {
    cout << "最大整数是: " << getMax(10, 20) << endl;       // 整数
    cout << "最大浮点数是: " << getMax(10.5, 20.5) << endl; // 浮点数
    cout << "最大字符是: " << getMax('a', 'z') << endl;     // 字符
    return 0;
}

在上述代码中，我们定义了一个函数模板getMax。该模板接受两个参数，返回它们中的最大值。由于使用了typename T，所以可以传入任意类型的参数，如整数、浮点型或字符。

类模板

类模板使得我们可以定义一个通用的类，其中的类型在实例化时由使用者指定。下面是一个简单的类模板示例，表示一个简单的栈：

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
class Stack {
private:
    T* arr;
    int top;
    int capacity;

public:
    Stack(int size) : capacity(size), top(-1) {
        arr = new T[capacity];
    }

    ~Stack() {
        delete[] arr;
    }

    void push(T item) {
        if (top == capacity - 1) {
            cout << "栈已满" << endl;
            return;
        }
        arr[++top] = item;
    }

    T pop() {
        if (top < 0) {
            cout << "栈为空" << endl;
            return T(); // 返回默认值
        }
        return arr[top--];
    }

    bool isEmpty() const {
        return top < 0;
    }
};

int main() {
    Stack<int> intStack(5);
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    cout << "弹出: " << intStack.pop() << endl;

    Stack<string> strStack(5);
    strStack.push("C++");
    strStack.push("模板");
    cout << "弹出: " << strStack.pop() << endl;

    return 0;
}

在上面的示例中，我们定义了一个类模板Stack，它实现了一个简单的栈结构。我们可以实例化为不同的数据类型，如int和string。模板的使用使得代码更具复用性，避免了为不同类型编写多个类的需要。

模板的优势

1. 代码重用性：模板允许我们编写和维护只有一套代码，而不必为每种类型重复相同的实现。
2. 类型安全：模板在编译时进行类型检查，确保只有允许的类型被使用，降低了运行时错误的风险。
3. 性能：模板通常在编译时生成代码，因此运行时性能与手写的特定类型的代码相似。

小结

在本节中，我们介绍了C++模板的基本概念，包括函数模板和类模板的定义与使用。我们展示了如何使用模板来编写类型安全且可重用的代码。模板编程是C++的一个重要特性，它为开发者提供了强大的灵活性和代码复用能力。

在接下来的章节中，我们将讨论模板特化的内容，进一步探讨如何针对特定类型实现特化的模板。这一扩展将加深我们对模板机制的理解和应用。