C++里面的“百变怪”：模板

在C++编程语言中，模板是一种非常强大的特性，常被称为“百变怪”，因为它允许我们编写可以用于不同数据类型的通用代码。模板的主要用途是在编写函数和类时，我们可以创建一种通用的方案，而无需为每种数据类型重复编写代码。下面我们将详细探讨C++中的模板及其用法。

模板的基本概念

模板分为两种主要类型：函数模板和类模板。

1. 函数模板：允许我们创建可以接受不同数据类型的函数。例如，一个通用的交换函数，可以交换两个变量的值。

2. 类模板：允许我们创建可以处理不同数据类型的类。例如，一个通用的栈类，可以存储任意类型的元素。

函数模板示例

下面是一个简单的函数模板示例，演示如何定义一个通用的交换函数：

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数模板
template <typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int x = 10, y = 20;
    cout << "交换前: x = " << x << ", y = " << y << endl;
    swap(x, y);
    cout << "交换后: x = " << x << ", y = " << y << endl;

    double a = 1.1, b = 2.2;
    cout << "交换前: a = " << a << ", b = " << b << endl;
    swap(a, b);
    cout << "交换后: a = " << a << ", b = " << b << endl;

    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个 swap 函数模板，它接受两个参数，并交换它们的值。通过使用模板，我们可以在 main 函数中调用 swap，不论传入的是 int 还是 double，都可以正常工作。

类模板示例

接下来，我们来看一个类模板的示例，定义一个通用的栈类：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

// 类模板
template <typename T>
class Stack {
private:
    vector<T> elements; // 使用vector来存储堆栈元素

public:
    void push(const T& element) {
        elements.push_back(element);
    }

    void pop() {
        if (elements.empty()) {
            throw out_of_range("栈空，无法弹出元素");
        }
        elements.pop_back();
    }

    T top() const {
        if (elements.empty()) {
            throw out_of_range("栈空，没有顶部元素");
        }
        return elements.back();
    }

    bool isEmpty() const {
        return elements.empty();
    }
};

int main() {
    Stack<int> intStack; // 创建int类型的栈
    intStack.push(1);
    intStack.push(2);
    cout << "顶部元素: " << intStack.top() << endl; // 输出2
    intStack.pop();
    cout << "顶部元素: " << intStack.top() << endl; // 输出1

    Stack<string> stringStack; // 创建string类型的栈
    stringStack.push("Hello");
    stringStack.push("World");
    cout << "顶部元素: " << stringStack.top() << endl; // 输出World

    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个栈类 Stack，它使用模板接受任意类型的元素。我们使用 vector 作为底层容器，以存储栈中的元素。push、pop 和 top 方法提供了基本的栈操作，并且我们的栈可以处理 int、string 或其他类型。

总结

C++中的模板极大地增强了代码的复用性和灵活性。通过使用模板，我们可以编写更加通用和可扩展的代码，而不仅仅局限于特定的类型。这一特性在泛型编程中尤为重要，可以帮助开发者创建更高效和优雅的软件架构。模板的使用将C++编程提升到一个新的高度，让程序员可以专注于算法和逻辑，而不是重复定义不同类型的代码。