C++模板（Template）详解——给小学生的“魔法公式”

同学们，今天我们学习一个在C++编程、STL标准库、算法竞赛中非常重要的知识：模板（Template）。

你平时写代码，会经常看到：

vector<int> a; sort(a.begin(),a.end());

或者：

pair<int,int> p;

甚至：

priority_queue<int> q;

这里面的：

<int>

其实就是模板参数。

那么：

为什么一个vector既可以装int，又可以装string？

为什么sort既可以排序整数，又可以排序字符串？

C++到底是怎么做到的？

这就是今天要解决的问题。

一、为什么需要模板？

1. 一个现实问题

假设我们要写一个交换两个数字的函数。

比如：

交换两个整数：

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

使用：

int x=10; int y=20; swap(x,y);

很好。

但是后来我们想交换：

double类型

double a=1.2; double b=3.5;

怎么办？

重新写：

void swap(double &a,double &b) { double t=a; a=b; b=t; }

发现：

代码完全一样！

区别只有：

int

换成：

double

后来还有：

string char long long

是不是每一种都写一个？

太麻烦了。

二、模板的思想：写一个万能版本

程序员想：

能不能先不告诉计算机是什么类型？

比如：

"以后你告诉我交换什么，我自动生成对应代码。"

于是出现：

函数模板

写法：

template<typename T> void mySwap(T &a,T &b) { T temp=a; a=b; b=temp; }

这里：

T

就是一个占位符。

你可以理解成：

一个空盒子。

现在：

T还不知道是什么。

调用：

情况1：交换int

int a=10; int b=20; mySwap(a,b);

编译器发现：

a,b是int。

于是：

把模板变成：

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

情况2：交换double

double x=1.1; double y=2.2; mySwap(x,y);

编译器生成：

void mySwap(double &a,double &b) { double temp=a; a=b; b=temp; }

所以：

一个模板：

template<typename T>

可以生成很多函数。

三、模板底层到底如何实现？

这是重点。

很多初学者认为：

模板是不是运行的时候判断类型？

不是！

C++模板：

不是运行时技术

而是：

编译时期生成代码

也叫：

模板实例化（Template Instantiation）

例如：

我们写：

template<typename T> T add(T a,T b) { return a+b; }

调用：

cout<<add(3,5); cout<<add(1.5,2.5);

编译器看到以后：

偷偷生成两个函数：

第一个：

int add(int a,int b) { return a+b; }

第二个：

double add(double a,double b) { return a+b; }

最后真正运行的时候：

程序里面根本没有模板！

只有：

add(int)

和：

add(double)

可以画成：

模板代码 template<T> | | ↓ 编译器加工 | ---------------------- | | int版本 double版本 | ↓ 最终机器代码

四、为什么模板运行速度快？

因为：

模板是在编译阶段展开。

运行时：

没有：

判断类型 if(int) else(double)

所以：

速度和普通函数一样。

例如：

vector

实际上：

编译器生成：

整数数组管理代码

vector

生成：

double数组管理代码

没有额外损耗。

五、类模板

除了函数可以模板化。

类也可以。

例如：

我们想写一个盒子。

普通类：

class Box { public: int value; };

只能装：

int

如果想装：

double string

怎么办？

使用：

类模板

template<typename T> class Box { public: T value; };

现在：

Box<int> a; Box<double> b; Box<string> c;

三个盒子：

分别变成：

Box<int> Box<double> Box<string>

六、STL为什么全部使用模板？

这是竞赛中重要的地方。

1. vector

你写：

vector<int> a;

实际上：

vector是模板：

template<typename T> class vector { T *data; };

所以：

vector<int>

变成：

整数数组管理器

如果：

vector<string>

变成：

字符串数组管理器

七、sort为什么可以排序各种类型？

你有没有想过：

sort(a,a+n);

为什么：

int可以：

5 2 9 1

string也可以：

apple banana cat

因为：

sort也是模板。

类似：

template<class Iterator> void sort(Iterator begin,Iterator end) { }

编译器根据你的数据：

自动生成：

整数排序版本。

字符串排序版本。

八、typename 和 class 有什么区别？

经常看到：

template<typename T>

也看到：

template<class T>

其实这里：

没有区别。

例如：

template<class T> void fun(T x) { }

等价：

template<typename T> void fun(T x) { }

只是：

现代C++更推荐：

typename

因为：

更能表达：

"这里是一个类型"

九、模板和普通函数有什么区别？

比较一下：

普通函数

int max(int a,int b) { return a>b?a:b; }

只能：

int

模板：

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

可以：

myMax(3,5); myMax(2.5,8.1); myMax('a','z');

十、模板的缺点

模板很强，但是也有问题。

1. 编译时间变长

因为：

一个模板可能生成很多代码。

例如：

vector<int> vector<double> vector<string> vector<long long>

编译器都要生成。

2. 错误信息很复杂

例如：

模板错误：

可能出现：

几十行报错。

初学者看到：

std::__cxx11...

很害怕。

其实：

通常只是：

类型不匹配。

十一、信奥竞赛中什么时候需要模板？

小学阶段：

理解：

⭐⭐⭐⭐

使用：

⭐⭐

中学竞赛：

大量使用。

例如：

STL

vector queue stack set map priority_queue sort

全部依赖模板。

十二、给同学们的总结

模板是什么？

一句话：

模板就是“代码的万能设计图”。

比如：

普通代码：

一个盒子 只能装苹果

模板：

一个魔法盒子 你放苹果 它变苹果盒 你放香蕉 它变香蕉盒

模板底层原理：

记住一句：

C++模板不是运行时变化，而是在编译时复制生成不同版本代码。

过程：

模板 ↓ 编译器看到使用方式 ↓ 自动生成对应代码 ↓ 编译成机器语言 ↓ 运行

以后学习：

vector set map priority_queue sort

不要认为：

"这是C++给我的工具"

而要知道：

它们背后都是：

高级程序员利用模板技术，把通用算法提前设计好，然后让编译器自动生成适合你的版本。

这也是C++相比很多语言强大的核心原因之一。你学习模板，本质是在学习：

如何写出“一个代码，适应无限场景”的能力。