C++ 模板是语言中的一个强大特性，它允许程序员创建泛型代码，即能够处理多种数据类型的代码。模板在C++中分为两种主要类型：函数模板和类模板。本篇将深入探讨C++模板的基本概念、用法以及在实际编程中的应用。
### 一、函数模板
函数模板是用于生成特定类型函数的通用模板。它们定义了一种算法，而不关注具体的类型。例如，`swap` 函数模板可以交换两个变量的值：
```cpp
template<typename T>
void swap(T& a, T& b) {
T temp = a;
a = b;
b = temp;
}
```
这里的 `T` 是一个占位符，表示任何类型。当你调用 `swap(int x, int y)` 或 `swap(string s1, string s2)` 时，编译器会根据传入的类型自动推断 `T` 的值，并生成相应的函数实例。
### 二、类模板
类模板则用于创建泛型类。它们定义了一种类结构，而具体的数据类型可以在实例化时指定。例如，`Stack` 类模板可以这样实现：
```cpp
template<typename T>
class Stack {
private:
std::vector<T> elements;
public:
void push(const T& value) { elements.push_back(value); }
void pop() { elements.pop_back(); }
T top() const { return elements.back(); }
bool empty() const { return elements.empty(); }
};
```
`Stack` 类模板可以处理任何类型的数据，如整数、浮点数或自定义对象。当创建 `Stack<int>` 或 `Stack<std::string>` 对象时，编译器会为每个类型生成一个独立的类实例。
### 三、模板参数推导
在调用模板函数或创建模板类实例时，编译器通常可以自动推断出模板参数的类型。例如，以下代码中，编译器会推断 `T` 为 `int`：
```cpp
int x = 5;
swap(x, 7);
```
然而，在某些情况下，可能需要显式指定模板参数，如重载操作符时：
```cpp
template<typename T>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Stack<T>& stack) {
// 输出栈的内容
return os;
}
Stack<int> intStack;
std::cout << intStack; // 编译器无法推断出T，需要显式指定
```
### 四、模板特化与偏特化
模板特化是对模板的特殊情况提供单独的实现。例如，如果 `swap` 不适用于某种类型（如 `const` 对象），可以为该类型提供特化版本：
```cpp
template<>
void swap<const int&>(const int& a, const int& b) {
// 特化版的swap，不改变原始值
}
```
偏特化则是对类模板的部分参数进行特化。例如，为只有两个元素的 `Stack` 提供优化：
```cpp
template<typename T>
class Stack<T, 2> {
// 偏特化的Stack，只存储两个元素
};
```
### 五、模板元编程
模板元编程是一种在编译时执行计算的技术，利用模板的特性来生成和操纵类型。例如，`enable_if` 可用于条件类型选择：
```cpp
template<bool B, typename T = void>
struct enable_if {};
template<typename T>
struct enable_if<true, T> {
typedef T type;
};
// 使用示例：
void foo(typename enable_if<sizeof(T) <= sizeof(int), T>::type t) {
// 当T的大小小于等于int时可用
}
```
### 六、模板与继承
模板类可以作为基类，子类可以继承模板类并实例化。这种情况下，子类可以选择使用父类的模板参数，或者提供自己的模板参数：
```cpp
template<typename T>
class Base {
// ...
};
class Derived : public Base<int> {
// ...
};
```
### 七、模板与STL
C++标准库中的容器（如 `std::vector`、`std::map`）、算法（如 `std::sort`）和迭代器都是基于模板实现的，使得它们可以处理各种数据类型。
C++模板是编写高效、灵活且可复用代码的关键工具。熟练掌握模板的使用，可以极大地提高代码质量和效率。通过函数模板、类模板、模板参数推导、模板特化与偏特化等技术，开发者可以设计出强大的泛型程序，适应各种复杂的编程场景。在实际开发中，合理运用模板能够帮助我们写出更加简洁、高效的C++代码。
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