泛型编程
泛型编程是一种编程范式，旨在编写与类型无关的代码，允许在不同的数据类型上进行操作。C++ 的泛型编程通过模板（template）机制实现，模板提供了一种创建类型安全的代码的方式，同时允许在编译时进行类型检查。泛型编程的主要目标是实现代码的重用和抽象，减少重复代码。
1. 模板基础
模板允许定义与类型无关的函数和类，编译器会根据实际使用的类型生成相应的代码。
1.1 函数模板
函数模板允许编写可以接受不同类型参数的函数。例如，下面是一个泛型的 max 函数模板，可以比较不同类型的两个值。
template <typename T>
T max(T a, T b) {
return (a > b) ? a : b;
}
在这个示例中，T 是一个模板参数，函数 max 可以接受任意类型的参数，并返回最大值。
1.2 类模板
类模板允许定义可以处理不同数据类型的类。例如，下面是一个泛型的 Box 类模板，它可以存储任意类型的值。
template <typename T>
class Box {
public:
void setValue(T value) {
this->value = value;
}
T getValue() const {
return value;
}
private:
T value;
};
在这个示例中，Box 类模板可以存储任意类型 T 的值，并提供设置和获取值的方法。
2. 模板特化
模板特化允许为特定类型提供自定义实现。特化可以是完全特化（针对特定类型）或部分特化（针对类型的某些属性）。
2.1 完全特化
完全特化为模板参数的特定类型提供特定的实现。
template <>
class Box<bool> {
public:
void setValue(bool value) {
this->value = value;
}
bool getValue() const {
return value;
}
private:
bool value;
};
在这个示例中，为 bool 类型提供了 Box 类的特定实现。
2.2 部分特化
部分特化允许为模板参数的某些属性提供特定实现。例如，可以为具有特定类型属性的类提供部分特化。
template <typename T, typename U>
class Pair {
public:
Pair(T first, U second) : first(first), second(second) {}
private:
T first;
U second;
};
template <typename T>
class Pair<T, T> {
public:
Pair(T value) : value(value) {}
private:
T value;
};
在这个示例中，Pair 类模板的部分特化处理两个相同类型的参数。
3. 模板元编程
模板元编程（TMP）利用模板在编译时进行计算和逻辑推理。这允许在编译时生成高效的代码并进行类型检查。
3.1 类型特征
类型特征是模板元编程中的一种技术，用于在编译时查询类型属性。例如，std::is_same 可以用于检查两个类型是否相同。
#include <type_traits>
#include <iostream>
template <typename T>
void checkType() {
if (std::is_same<T, int>::value) {
std::cout << "Type is int" << std::endl;
} else {
std::cout << "Type is not int" << std::endl;
}
}
int main() {
checkType<int>(); // 显式指定模板参数为 int
checkType<double>(); // 显式指定模板参数为 double
return 0;
}
在这个示例中，checkType 函数模板使用 std::is_same 来检查模板参数 T 是否是 int 类型，并在 main 函数中显式指定模板参数进行调用。
3.2 编译时计算
模板元编程可以进行编译时计算，例如计算常量值或生成特定的编译时代码。
template <int N>
struct Factorial {
static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};
template <>
struct Factorial<0> {
static const int value = 1;
};
在这个示例中，Factorial 结构体模板计算阶乘值，并在编译时生成结果。
4. 模板与 STL
标准模板库（STL）是 C++ 的一部分，广泛使用模板技术。STL 包括各种容器（如 vector 和 map）、算法（如 sort 和 find）和迭代器（如 begin 和 end），所有这些都利用了模板来实现类型无关的代码。
#include <vector>
#include <algorithm>
int main() {
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
std::sort(v.begin(), v.end());
return 0;
}
在这个示例中，std::vector 和 std::sort 都是模板类和模板函数，支持多种数据类型。
5. 总结
泛型编程在 C++ 中通过模板机制提供了强大的功能，允许编写与类型无关的代码，增强了代码的重用性和可维护性。掌握模板基础、特化、元编程及其在 STL 中的应用，对于高效编写 C++ 代码至关重要。