C++的模板
模板的概念
模板是实现类属机制的一种工具，它的功能非常强，它是无约束类属机制和约束类属机制的集合。它可以让用户构造模板函数。
函数模板与模板函数
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
T square(T x)
{
return (x * x);
}
int main()
{
cout << square(2)<<endl;
return 0;
}
先见下例：
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T> // 模板声明
T max(T x,T y) // 定义模板
{
return (x>y)? x:y;
}
int main()
{
int i=10,j=56;
float x1=50.34, x2=56.34;
double y1=673.36, y2=465.972;
cout<<"the max of i, j is:"<<max(i,j) <<endl;
cout<<"the max of x1, x2 is:" <<max(x1,x2) <<endl;
cout<<"the max of y1, y2 is:" <<max(y1,y2)<<endl;
return 0;
}
上面的这个程序虽然只是实现一个很简单的比较大小的问题，但如果不用模板，而用我们以前的方法，由于参数类型和返回值类型不同将需要三个函数来实现，这样是十分麻烦的。模板成功的解决了这个问题，程序中生成了三个模板函数，其中max(i,j)用模板实参int将类型实参数T进行了实例化；max(x1,x1)用模板实参float将类型参数T进行了实例化；max(y1,y2)用模板实参double将类型参数T进行了实例化。
从上面的例子我们可以看出，函数模板提供了一类函数的抽象，它以任意类型T为参数及函数返回值。由一个函数模板产生的函数称为模板函数，它是函数模板的具体实例。
函数模板和模板函数的关系图：
要提醒大家注意的一点是：虽然模板参数T可以实例化成各种类型，但是采用模板参数T的各种参数T的各参数之间必须保持完全一致的类型。例如：
T max(T x,T y)
{
return (x>y)?x:y;
}
void func(int i, char c, float)
{
max(i,i); //正确
max(c,c); //正确
max(c,i); //错误
max(f,i); //错误}
解决上面的问题就需要引入一个新的概念“重载”，既可以用非模板函数重载一个同名的函数模板。重载有两种表述方式：
1. 利用函数模板的函数体
使用次方法是必须注意各模板参数的实参类型必须一致。例如：
int max(int,int)
2. 重新定义函数体
对于要重新定义函数体的重载函数，所带参数的类型可以随意，就象一般的重载函数一样定义。
定义重载函数特别要注意避免产生预期的和非预期的二义性。例如：
int max(int, int);
char max(int x,char y)
{
//......
}
当进行函数调用时有这样一个调用形式：
msx(i,j);
此处i为int，f为float，这个函数调用就存在着二义性。这时的调用就需要按照一定的规则安排先后顺序，这些规则就是函数模板与同名的非模板函数的重载方法均遵循的约定：
- 寻找一个参数完全匹配的函数， 如果找到了就调用它。
- 在（1）失败后，寻找一个函数模板，使其实例化，产生一个匹配的模板函数，若找到了，就调用它。
- 在（1）（2）均失败后，再试一试低一级的对函数的重载方法，例如通过类型转换可产生参数匹配等，若找到了，就调用它。
- 若（1）（2）（3）均失败，则这是一个错误的调用。
类模板与模板类的概念
一个类模板可以让用户为类定义一种模式，使得类中的某些数据成员，某些成员函数的参数，某些成员函数的返回值，能取任意类型。
定义一个类模板，一般由两方面的内容：
template<class T> //声明一个模板
class name
{
//....}
name为类名，在类定义体中如采用数据类型的成员，函数参数的前面需加上T。例如：
template<class T>
class vector
{
T * data;
int size;
pulic: vetor(int);
T&operator[](int);
//...};
(2)在类定义体外定义成员函数时，若此成员函数中有模板参数存在，则需在函数体外进行模板声明，并且在函数名前的类名后缀上“”.例如：
template<class T>
vector::vector(int i)
{
//....}
template<class T>
T&vector::operator[](int i)
{
//....}
类模板的使用
类模板的使用实际上是将类模板实例化成一个具体的类， 它的格式为：
类名<实际的类型>
例如：
main()
{
vector<int>x(5);
for(int i=0; i<=5;i++)
x[i]=i;
for(i=0;i<5;++i)
cout< cout<<"\\n";
}
类模板和模板类之间的关系， 如图：
类模板使用需要注意的几点：
（1）在每个模板定义之前， 不管是类模板还是函数模板， 都需要在前面加上模板声明：
template<class T>
（2）类模板和结构模板在使用时，必须在名字后面缀上模板参数,如：list,node.
使用C++模板的优点和缺点
作为C++语言的新组成部分，模板引入了基于通用编程的概念。通用编程是一种无须考虑特定对象的描述和发展算法的方法，因此它与具体数据结构无关。但在决定使用C++模板之前，让我们分析一下使用模板的优缺点。
目的：当被问及引入C++模板的目的时，C++的发明者Bjarne Stroustrup告诉我“这是为了支持类型安全、类容器的有效性和算法的通用性”。
优势和劣势：使用模板有很多原因，最主要的为了得到通用编程的优点。国际标准化组织（ISO）为C++建立了C++标准库，该标准库功能强大，这证明了模板的重要性。库中涉及算法和容器的部分组成了标准模板库（简称STL）。由于模板的可重用性和可扩展性，你可以利用STL来实现效率很高的代码。
但是模板也有一些不太为人知的缺点。首先，由于C++没有二进制实时扩展性，所以模板不能像库那样被广泛使用。模板的数据类型只能在编译时才能被确定。因此，所有用基于模板算法的实现必须包含在整个设计的头文件中。通过分析标准模板库（STL）的头文件，你可以很清楚的认识到这一点。
另外，由于模板只是最近加入C++标准中，所以有些C++编译器还不支持模板，当使用这些编译器时编译含有模板的代码时就会发生不兼容问题。例如，Mozilla浏览器开发组之所以没有使用模板就是因为交叉平台会导致模板的不兼容。同样的，如果当开发者需要跨越好几个平台而有的平台可能只有老的C++编译器的时候，使用模板也是不明智的。
即使到现在，模板的一些高级特性，例如局部特殊化和特殊化顺序在不同的C++标准实现中也还是不统一的。
尽管如此，结合STL使用模板还是可以大大减少开发时间。模板可以把用同一个算法去适用于不同类型数据，在编译时确定具体的数据类型。
比方说，假设你希望实现一个诸如TCP/IP堆栈所用的开窗重排序机制。这个机制可用于IP数据报和其它数据报格式。通过使用模板后，开窗重排序机制就像流控制那样，无须随所处理数据格式而改变。
C++模板的标准用法
头文件和名字空间
标准C++包含了名字为std的名字空间的所有标准库和函数。下文中例子将使用与它们相关联的头文件：
#include
using namespace std;
这里，我们包含了 iostream库在全局范围内说明了std名字空间。
说明、例化和参数化模板类：
第一件要考虑的事是如何定义一个简单的模板。我们假定你有C++的基本知识但是从没有接触过类属编程和模板。在清单A中，我们说明了一个模板。在清单B中，我们建立了一个实例来调用这个函数。
清单B中，foo模板的第一个实例将输出bar 97，第二个实例将输出bar a。这是因为模板是在编译时被解释的。与之相比，C++中类的数据类型必须在说明时就精确指定。
说明和参数化模板函数：
C++也可以说明模板函数。当编写一个处理对象的数据类型又很多种的算法时，模板函数的概念就显得很重要。我们将举一个模板函数的例子。
在In 清单C中，你会发现函数的定义兼有标准C（ANSI C）和模板类的特点。我们可以用不同的参数来调用这个函数，如清单D代码所示。
清单D中，第一个被调用的函数将输出b，这是因为参数是字符型。而第二个函数的参数是整数型，所以输出是98。
C++模板还有更多的标准用法，如模板参数、类型等价、模板重载等。参考书目覆盖了上述内容。我们就不再予以讨论。
C++模板的高级用法：模板元程序
模板在编译时例化的特点有一个不太引人注意的用法。该方法的技巧源于模板元程序这一概念上的。从本质上来说，这是利用模板在编译时例化的结果用在程序运行时的特点把运行时的部分工作编译到编译时的工作。这将在下面具体说明。
清单E 举了一个用以说明如何利用模板元程序的简单例子。例子在编译时，会计算出斐波纳契数列的值，这样就无需在程序运行时计算，减轻了运行时的工作量。斐波纳契数列的第零个和第一个元素分别为0和1，后续元素的值为该元素前两个元素的和：即、、，其中。斐波纳契数列为：0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 ...
当编译清单E中的代码时，编译器将计算出的值，即55。
值得注意的是上面例子的编写利用模板特点。
表达式模板是模板的另一个高级用法。它利用数学表达式在编译时计算出结果的特点产生了运行时的高效代码。
结论
模板是C++标准中相当重要的一部分，它是通用编程成为现实的理想方法。模板还有在编译时被解释的特点。模板是对迅速解决复杂问题有效手段，特别是标准模板类库。以前由于编译器不支持而导致了模板的可移植性发面的问题的出现。现在，国际标准（ANSI/ISO）已经出台，编译器开始按这个标准支持模板了，这个问题即将解决。
在以后的文章中，我们将深入研究标准模板类库，讨论它的起源、考察它的基本原理，如迭代、容器和算法。