使用C++模板進行代碼復用和泛型編程

一、模板簡介

C++語言中的模板是一種基於類型進行代碼復用和泛型編程的機制。它可以讓我們寫出可以處理多種數據類型的通用函數和類，極大地提高了程序的靈活性和代碼的重用性。

二、函數模板

函數模板是一種定義通用函數的方法，它可以處理多個數據類型。函數模板的聲明方式如下：

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

上面的聲明定義了一個函數模板max，它接受兩個類型為T的參數，並返回它們中較大的一個。這個函數模板可以處理任何類型為T的變量，包括int、float、double等等。

我們可以這樣使用函數模板：

int a = 3, b = 4;
float c = 3.5, d = 4.5;
std::cout << max(a, b) << std::endl;
std::cout << max(c, d) << std::endl;

上面的代碼中，我們分別用a、b和c、d兩組變量來調用max函數模板，並輸出結果。由於max函數模板可以處理int和float類型的變量，所以可以成功地編譯和運行這段代碼。

三、類模板

類模板是一種定義通用類的方法，它可以處理多個數據類型。類模板的聲明方式如下：

template<typename T>
class Stack{
private:
    T data[100];
    int top;
public:
    Stack(){
        top = -1;
    }
    void push(T value){
        if(top < 99){
            data[++top] = value;
        }
    }
    T pop(){
        if(top >= 0){
            return data[top--];
        }
    }
};

上面的聲明定義了一個類模板Stack，它用一個T類型的數組實現了一個棧的功能。這個類模板可以處理任何類型為T的變量。

我們可以這樣使用類模板：

Stack<int> s;
s.push(1);
s.push(2);
s.push(3);
std::cout << s.pop() << std::endl;
std::cout << s.pop() << std::endl;
std::cout << s.pop() << std::endl;

上面的代碼中，我們定義了一個Stack類模板的實例s，並將值1、2、3壓入棧中。然後我們彈出棧頂元素，三次輸出棧頂元素，結果分別為3、2、1。

四、模板實參推導

有時候，我們在使用模板函數或模板類時，會有些參數類型無法指定，或者希望自動推導出參數類型。這時候，可以使用模板實參推導。

模板實參推導是讓編譯器根據函數或變量的參數類型自動推導出模板參數的類型。比如，下面的代碼：

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = std::find(v.begin(), v.end(), 2);

上面的代碼中，我們使用了標準庫提供的find函數，它可以在一個容器中查找某個元素，並返回它的迭代器（指針）。在這裡，我們使用了auto關鍵字，讓編譯器自動推導出it指針的類型。由於auto關鍵字是C++11才引入的，因此在此之前，我們可以使用模板實參推導的方式手動指定類型：

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
std::vector<int>::iterator it = std::find(v.begin(), v.end(), 2);

五、模板特化

有時候我們在使用模板類時，需要對某些特殊類型進行特殊處理，這時候可以使用模板特化。

模板特化是指針對某些特定的類型，我們可以重新定義模板類的實現。比如，下面的代碼：

template<typename T>
class Stack{
private:
    T data[100];
    int top;
public:
    Stack(){
        top = -1;
    }
    void push(T value){
        if(top < 99){
            data[++top] = value;
        }
    }
    T pop(){
        if(top >= 0){
            return data[top--];
        }
    }
};

template<>
class Stack<bool>{
private:
    int data[4];
    int top;
public:
    Stack(){
        top = -1;
    }
    void push(bool value){
        if(top < 3){
            data[++top] = value;
        }
    }
    bool pop(){
        if(top >= 0){
            return data[top--];
        }
    }
};

上面的代碼中，我們定義了一個Stack類模板，然後對bool類型進行了特化。在bool類型的特化實現中，我們使用了int數組來存儲bool變量，以便實現一個更高效的bool類型的棧。當我們將Stack<bool>實例化時，編譯器會選擇使用bool類型的特化實現。

六、總結

通過本文的介紹，我們可以看到模板是C++語言強大的語法特性之一。使用模板，我們可以輕鬆地寫出通用的代碼，提高程序的靈活性和代碼的重用性。同時，模板還支持模板實參推導和模板特化等高級特性，可以進一步提高語言的表達能力和編程效率。