面向对象程序设计（C++）课件 第4章 C++模板和泛型编程

大学计算机基础教学系列教材第四章C++模板和泛型编程2026年5月11日目录模板的概念第4.1节函数模板第4.2节类模板第4.3节010203CONTENTS模板特化第4.4节标准模板类第4.5节0405本章小结第4.6节062学习目标

掌握函数/类模板核心语法，包括定义、实例化及默认参数用法，能编写多类型通用代码。

理解模板参数传递机制，掌握类模板类外实现、继承及作为函数参数的3种传递方式。

熟悉模板特化/偏特化，能为特定类型定制模板实现，调整模板行为。精通vector/array特性与操作，明确其与传统数组差异及适用场景。建立泛型编程思维，能按需选择模板工具与容器，提升代码复用性。模板的概念013第4.1节4模板的概念C++允许在编译时定义函数和类的通用代码，使得函数或类可以用于多种数据类型，可将这些通用代码称为模板。通过模板，能够编写类型无关的代码，提高代码的重用性和灵活性。模板主要有两种类型：函数模板（FunctionTemplates）：允许给出一个函数框架，在函数调用时根据参数的类型进行类型自动推导。类模板（ClassTemplates）：允许定义一个通用类，在类模板实例化时根据类型参数自动生成具体的类。函数模板025第4.2节6函数模板的语法函数模板是为了编写与类型无关的通用函数，使得同一个函数可以接受不同类型的参数。主要由模板申明和定义实现两部分组成，其基本语法如下：template<typenameT>//或者template<classT>Tfunction_name(Tparam1,Tparam2){//函数实现}模板申明通常出现在函数或类的前面，用于告知编译器这是一个函数模板或类模板，模板参数将在实际使用时被指定或推导。模板申明由template关键字开始，后面跟着模板参数列表。模板参数列表通常是类型参数，也可以是非类型参数。函数模板的语法程序输出如下：template<typenameT>Tadd(Ta,Tb){ returna+b;}

intmain(){

intintResult=add(3,4);//T推导为int

doubledoubleResult=add(3.5,4.4);//T推导为double cout<<"Integerresult:"<<intResult<<endl;//输出:7 cout<<"Doubleresult:"<<doubleResult<<endl;//输出:7.9

return0;}Integerresult:7Doubleresult:7.97显式实例化显式实例化（用户指定）：有时出于精度或性能等方面的考虑，希望明确指定模板参数类型，而不依赖推导。template<typenameT>Tabs(Tx){

returnx<0?-x:x;}

intmain(){ cout<<"abs<double>(10)="<<abs<double>(10)<<endl;

cout<<"abs<double>(-3.14)="<<abs<double>(-3.14)<<endl;

return0;}程序输出如下：abs<double>(10)=10abs<double>(-3.14)=3.148显式实例化：强制将整数10按照double类型处理显式实例化：对负浮点数进行处理隐式实例化隐式实例化：编译器根据实参的类型自动推导模板参数的具体类型。template<typenameT>Tabs(Tx){returnx<0?-x:x;}intmain(){

inta=-5;

doubleb=-3.14;cout<<abs(a)<<endl;//T被推导为intcout<<abs(b)<<endl;//T被推导为double

return0;}程序输出如下：53.14910引用传参和值传参模板函数与普通函数一样，也可以选择使用值传递或引用传递来处理参数，尤其引用传参允许在函数中直接修改调用者的实参。相对而言，值传参不会实现在函数体中直接修改调用者的实参。值传参，例如：下面的函数虽然语法上正确，但不会对原始变量a和b产生影响，因为仅交换了其副本。template<typenameT>voidswap1(Ta,Tb){Ttemp=a;a=b;b=temp;}引用传参和值传参引用传参，在swap2中，通过将参数申明为引用类型（T&）进行引用传参，能够真正实现参值的交换。template<typenameT>voidswap2(T&a,T&b){Ttemp=a;a=b;b=temp;}intmain(){intx=10,y=20;swap2(x,y);//调用模板函数进行交换

cout<<x<<","<<y<<endl;//输出：20,10

return0;}11默认模板参数template<typenameT=int>Tadd(Ta,Tb){

returna+b;}当调用模板函数时，如果没有指定类型参数，编译器将使用默认的类型。函数模板的默认模板参数语法如下：template<typenameT=int>：为模板类型参数T提供默认值int，如果调用时没有指定T的类型，编译器将使用int作为默认类型。12默认模板参数template<typenameT=int>Tadd(Ta,Tb){

returna+b;}intmain(){cout<<add(3,4)<<endl;//使用默认类型intcout<<add(3.5,4.5)<<endl;//T被推导为double

return0;}13程序输出如下：78类模板0314第4.3节15类模板的语法类模板的实现通常包括成员变量、成员函数、构造函数等。成员函数和成员变量的类型都可以是模板类型参数。类模板的语法结构如下：template<typenameT>classClassName{private:Tvar;public:ClassName(Tval):var(val){}TgetValue(){returnvar;}};template<typenameT>是申明模板，T是类型参数。classClassName是实现类模板，其中T将用于类的成员变量、成员函数等。16类模板的语法template<typenameT>classBox{private:Tprice;public:Box(Tp):price(p){}TgetValue(){returnprice;}};下面定义了一个类模板Box，用于创建可以存储任意类型数据的通用容器。类中包含一个私有成员变量price，通过构造函数初始化，并提供getValue()成员函数用于获取存储的值。17类模板的语法intmain(){Box<int>intBox(10);//创建一个存储整数的BoxBox<double>doubleBox(3.14);//创建一个存储浮点数的Boxcout<<"IntegerBox:"<<intBox.getValue()<<endl;//输出:10cout<<"DoubleBox:"<<doubleBox.getValue()<<endl;//输出:3.14return0;}程序输出如下：IntegerBox:10DoubleBox:3.14类模板作为函数参数在实际开发中，将类模板对象作为函数参数时，需根据泛化程度选择不同的参数定义方式，主要分为以下三类：指定类型，即固定模板参数template<classT1,classT2>classStu{public:Stu(T1num,T2name):num(num),name(name){}

voidshow(){cout<<"学号:"<<num<<",姓名:"<<name<<endl;}private:T1num;T2name;};18类模板作为函数参数voidprint(Stu<int,string>&stu){cout<<"[指定类型]";stu.show();}intmain(){Stu<int,string>s(1001,"张三");print(s);//可调用

return0;}程序输出如下：[指定类型]学号:1001,姓名:张三19类模板作为函数参数参数模板化，即函数模板接收任意组合该方式通过定义函数模板，将类模板的类型参数继续传递，使函数可适配任意类型组合的类模板对象。template<classT1,classT2>classStu{public:Stu(T1num,T2name):num(num),name(name){}

voidshow(){cout<<"学号:"<<num<<",姓名:"<<name<<endl;}private:T1num;T2name;};20类模板作为函数参数template<classT1,classT2>voidprint2(Stu<T1,T2>&stu){cout<<"[参数模板化]";stu.show();}intmain(){Stu<int,string>s1(1002,"李四");Stu<double,string>s2(2001.5,"王五");print2(s1);print2(s2);

return0;}程序输出如下：[参数模板化]学号:1002,姓名:李四[参数模板化]学号:2001.5,姓名:王五21类模板作为函数参数通用模板类型，即完全泛化最通用的方式是使用一个模板类型T接收任何具有show()方法的对象，不限于某个类模板。template<classT1,classT2>classStu{public:Stu(T1num,T2name):num(num),name(name){}

voidshow(){cout<<"学号:"<<num<<",姓名:"<<name<<endl;}private:T1num;T2name;};22类模板作为函数参数//接收任何类型的对象，只要其有show()方法即可template<classT>voidprint3(T&obj){cout<<"[通用类型]";obj.show();}intmain(){Stu<int,string>s(1003,"赵六");print3(s);

return0;}23程序输出如下：[通用类型]学号:1003,姓名:赵六成员函数的类外实现template<classT1,classT2>classStu{public:Stu(T1num,T2name);//构造函数申明

voidshow();//成员函数申明private:T1num;T2name;};template<classT1,classT2>Stu<T1,T2>::Stu(T1num,T2name){

this->num=num;当类模板中的成员函数定义较多或较复杂时，推荐将其放在类体外进行实现。为了正确解析模板参数，类外定义时必须显式标明模板类型。2425成员函数的类外实现this->name=name;}template<classT1,classT2>voidStu<T1,T2>::show(){cout<<"学号:"<<num<<",姓名:"<<name<<endl;}intmain(){Stu<int,string>s(1001,"张三");s.show();return0;}程序输出如下：学号:1001,姓名:张三26类模板与继承C++允许类模板继承普通类、类模板继承类模板，并且在继承关系中可以使用泛型参数。这使得类模板可以实现更加灵活的层次结构。类模板继承普通类当一个类模板继承一个普通基类时，派生类模板仍然可以使用模板参数，同时也可以访问基类的非模板成员。类模板与继承//普通基类classBase{protected:

intbaseValue;public:Base(intv):baseValue(v){}

voidshowBase(){cout<<"BaseValue:"<<baseValue<<endl;}};//类模板派生类template<typenameT>classDerived:publicBase{private:TderivedValue;27类模板与继承public:Derived(intbaseVal,TderivedVal):Base(baseVal),derivedValue(derivedVal){}

voidshowDerived(){showBase();cout<<"DerivedValue:"<<derivedValue<<endl;}};intmain(){Derived<double>obj(10,20.5);obj.showDerived();

return0;}程序输出如下：BaseValue:10DerivedValue:20.52829类模板与继承类模板继承另一个类模板

如果一个类模板继承另一个类模板，需要在派生类中显式指定模板参数。类模板与继承//基类模板template<typenameT>classBase{protected:TbaseValue;public:Base(Tv):baseValue(v){}

voidshowBase(){cout<<"BaseValue:"<<baseValue<<endl;}};//派生类模板template<typenameT,typenameU>classDerived:publicBase<T>{private:UderivedValue;30类模板与继承public:Derived(TbaseVal,UderivedVal):Base<T>(baseVal),derivedValue(derivedVal){}

voidshowDerived(){

this->showBase();cout<<"DerivedValue:"<<derivedValue<<endl;}};intmain(){Derived<int,double>obj(42,3.14);obj.showDerived();

return0;}程序输出如下：BaseValue:42DerivedValue:3.1431模板特化0432第4.4节完全特化模板特化分两种核心形式：①完全特化：为某一（组）特定类型提供完整实现，所有模板参数替换为具体类型，替代通用模板行为。②偏特化：为部分特定类型定制实现，通过部分匹配模板参数完成，无需确定所有参数类型。//原始模板定义template<typenameT>classClassName{//通用实现};//完全特化形式：所有模板参数都替换为具体类型template<>classClassName<SpecificType>{//为SpecificType提供的专属实现};33完全特化类模块的完全转化示例：template<typenameT>classBox{private:Tvalue;public:Box(Tval):value(val){}TgetValue(){returnvalue;}};//完全特化：为int类型提供特化版本template<>classBox<int>{private:

intvalue;34完全特化public:Box(intval):value(val){}

intgetValue(){returnvalue*2;}//特化版本：返回值为原值的两倍};//完全特化：为double类型提供特化版本template<>classBox<double>{private:

doublevalue;public:Box(doubleval):value(val){}

doublegetValue(){returnvalue/2;}//特化版本：返回值为原值的一半};35完全特化intmain(){Box<int>box1(10);//使用int类型的特化版本

Box<double>box2(3.14);//使用double类型的特化版本

Box<char>box3('A');//使用默认模板版本

cout<<"Box1(int):"<<box1.getValue()<<endl;cout<<"Box2(double):"<<box2.getValue()<<endl;cout<<"Box3(char):"<<box3.getValue()<<endl;return0;}程序输出如下：Box1(int):20Box2(double):1.57Box3(char):A36偏特化偏特化（部分特化）：仅定制模板参数的一部分，用于优化或改变特定类型场景下的模板行为，常通过限制部分参数类型提供专属实现。//通用模板template<typenameT,typenameU>classBox{private:Tfirst;Usecond;public:Box(Tf,Us):first(f),second(s){}

voidprint(){cout<<"First:"<<first<<",Second:"<<second<<endl;}};37偏特化//偏特化：当两个模板参数是相同类型时template<typenameT>classBox<T,T>{private:Tfirst;Tsecond;public:Box(Tf,Ts):first(f),second(s){}

voidprint(){cout<<"Bothvaluesarethesametype:"<<first<<"and"<<second<<endl;}};intmain(){Box<int,double>box1(10,3.14);//使用通用模板38偏特化Box<int,int>box2(20,30);//使用偏特化版本

box1.print();//输出:First:10,Second:3.14box2.print();//输出:Bothvaluesarethesametype:20and30

return0;}39程序输出如下：First:10,Second:3.14Bothvaluesarethesametype:20and30偏特化偏特化不仅可以用于类模板，还可以用于函数模板。通过偏特化，可以更精细地控制模板的行为，尤其在模板参数组合较复杂时，能够提供更多的灵活性。如下代码所示，函数模板的偏特化，通过函数重载的方式对指针类型参数进行特殊处理。//通用模板template<typenameT>voidprint(Tvalue){cout<<"GeneralTemplate:"<<value<<endl;}//偏特化：当模板参数是指针类型时template<typenameT>voidprint(T*value){cout<<"PointerTemplate:"<<*value<<endl;}40偏特化偏特化的限制与注意事项：不支持仅依靠函数返回类型来区分模板的偏特化版本。如果需要为不同类型返回不同结果，可以通过特化类模板或特化成员函数来实现。偏特化需要考虑兼容性：偏特化后的代码必须能够与模板的通用部分兼容。否则，可能会导致编译器错误或不符合预期的行为。模板特化与重载的区别：模板特化是在模板本身的基础上做修改，而重载则是定义了多个函数（或类）的相同名称但不同参数类型。41标准模板类0542第4.5节43vectorvector是顺序容器，核心特性与价值如下：动态扩容：运行时按需调整数组容量，灵活适配不同规模数据存储。连续存储：采用连续内存空间，支持高效随机访问，使用方式类似普通数组。性能特点：对末尾元素的插入、删除操作效率高，是实现栈结构的优选。丰富功能：自带边界检查、迭代器遍历、容量控制等功能，适配各类动态数组需求场景。vectorvector是一个模板类，通过指定模板参数定义特定类型的向量。vector<T>V;//T：指定容器中元素的类型（如int、double、std::string等）；//V：是vector容器对象的名称。通过以下代码可直观了解vector的4种核心初始化方式：//默认构造一个空的vectorvector<int>v1;//使用数组初始化再通过指针范围构造vectorintarr[]={1,2,3,4,5};vector<int>v2(arr,arr+5);//构造函数会将[arr,arr+5)范围内的5个元素复制到v2中44vector//指定大小，并初始化所有元素为默认值（0）vector<int>v3(5);//生成[0,5)范围内的5个元素，其初始值都是0//指定大小，并初始化所有元素为指定值（10）vector<int>v4(5,10);//通过拷贝构造另一个vectorvector<int>v5(v2);//输出v2中所有元素（使用传统for循环）cout<<"v2contents:";for(inti=0;i<v2.size();++i){cout<<v2[i]<<"";}cout<<endl;//输出：v2contents:1234545vectorvector容器常用操作包括：添加和删除元素（如push_back、pop_back）、访问元素（使用[]或at）、容量管理（如size、resize、reserve）以及使用迭代器遍历元素（如begin、end）。添加与删除元素：常用的添加和删除操作包括push_back()、pop_back()、insert()和erase()。46push_back(value);//在末尾添加元素。pop_back();//移除末尾元素。insert(position,value);//在指定位置插入元素。erase(position);//删除指定位置的元素。vector以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：//使用传统方式初始化vectorintarr[]={1,2,3};vector<int>v(arr,arr+3);//添加元素v.push_back(4);//{1,2,3,4}v.insert(v.begin()+1,10);//{1,10,2,3,4}//删除元素v.pop_back();//{1,10,2,3}v.erase(v.begin());//{10,2,3}47vector访问元素,常用的访问元素操作包括at(index)、operator[]、front()和back()。at(index);//返回指定索引的元素，带边界检查。operator[];//返回指定索引的元素，不带边界检查。front();//返回第一个元素。back();//返回最后一个元素。以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：intarr[]={10,20,30,40,50};vector<int>v(arr,arr+5);//构造vectorcout<<"Elementatindex2:"<<v.at(2)<<endl;//使用at()方法访问元素cout<<"Elementatindex3:"<<v[3]<<endl;//使用下标运算符[]cout<<"Firstelement:"<<v.front()<<endl;//获取第一个元素cout<<"Lastelement:"<<v.back()<<endl;//获取最后一个元素48vector容量管理，常用的操作包括size()、capacity()、resize(n)、reserve(n)和shrink_to_fit()。size();//返回当前元素的数量。capacity();//返回分配的存储容量。resize(n);//只有一个参数，表示“预留容量”resize(n,val)；//修改元素数量并设定新增值reserve(n);//增加容量，避免频繁分配内存。shrink_to_fit();//减少容量，使其与实际元素数量一致。以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：//使用数组构造vectorintarr[]={1,2,3};vector<int>v(arr,arr+3);49vectorcout<<"Size:"<<v.size()<<endl;//输出:3cout<<"Capacity:"<<v.capacity()<<endl;//输出:初始容量，通常>=3//增加容量v.reserve(10);cout<<"NewCapacity:"<<v.capacity()<<endl;//输出:10//调整大小，增加两个值为100的元素v.resize(5,100);//传统for循环输出元素for(inti=0;i<v.size();++i){cout<<v[i]<<"";//输出:123100100}cout<<endl;50vector使用迭代器，vector支持迭代器，用于高效遍历和操作元素。常用的迭代器包括begin()和end()、rbegin()和rend()、cbegin()和cend()。begin()；和end()；//返回首迭代器和尾后迭代器。rbegin()；和rend()；//返回反向迭代器。cbegin()；和cend()；//返回常量迭代器。以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：vector<int>v={10,20,30,40};//使用正向迭代器cout<<"Forwarditeration:";for(autoit=v.begin();it!=v.end();++it){cout<<*it<<"";//输出:10203040}cout<<endl;51vector//使用反向迭代器cout<<"Reverseiteration:";for(autoit=v.rbegin();it!=v.rend();++it){cout<<*it<<"";//输出:40302010}cout<<endl;//使用范围for循环cout<<"Range-basediteration:";for(autox:v){cout<<x<<"";//输出:10203040}cout<<endl;52vectorvector<vector<int>>matrix(3,vector<int>(3,0));//3x3矩阵，初始值为0for(inti=0;i<3;++i){for(intj=0;j<3;++j){matrix[i][j]=i+j;}}for(inti=0;i<matrix.size();++i){//输出矩阵：for(intj=0;j<matrix[i].size();++j){//[012]cout<<matrix[i][j]<<"";//[123]}//[234]cout<<endl;}53vector支持嵌套定义，可直接构建动态二维数组（如矩阵），无需预先固定大小，灵活适配数据需求。arrayarray是固定大小的数组类模板，需指定元素类型和编译期大小，比传统C数组更安全、功能多，支持初始化列表/构造赋值，兼顾类型安全与操作便捷性。array<T,N>arr;//T：指定数组中元素的类型（如int、double、string等）；//N：数组的大小，必须是编译时常量；//arr：array容器对象的名称。54如下代码所示，array容器的基本用法包括定义、初始化和遍历操作。//定义一个大小为5的数组，元素类型为intarray<int,5>arr={1,2,3,4,5};//通过默认构造函数定义，所有元素初始化为0array<int,5>arr_default={};//{0,0,0,0,0}array//输出数组内容for(inti=0;i<arr.size();++i){cout<<arr[i]<<"";}cout<<endl;55array提供固定长度数组容器，既保留了普通数组的性能，又支持如迭代器等STL接口。程序输出如下：12345arrayarray容器常用操作包括：访问元素、填充与内容操作以及使用迭代器遍历元素。访问元素，常用访问元素的方法包括at(index)、operator[]、front()和back()。at(index);//返回指定位置的元素，进行边界检查。operator[];//返回指定位置的元素，但不进行边界检查。front();//返回第一个元素。back();//返回最后一个元素。以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：array<int,5>arr={10,20,30,40,50};cout<<"Elementatindex2:"<<arr.at(2)<<endl;//使用at()进行边界检查cout<<"Elementatindex3:"<<arr[3]<<endl;//使用operator[]cout<<"Firstelement:"<<arr.front()<<endl;//获取第一个元素cout<<"Lastelement:"<<arr.back()<<endl;//获取最后一个元素56array数组大小与容量，常用方法包括size()、max_size()和empty()size();//返回数组的元素个数max_size();//返回数组可以容纳的最大元素个数（通常与size()相同）empty();//检查数组是否为空（即size()==0）。57以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：array<int,5>arr={10,20,30,40,50};cout<<"Sizeofarray:"<<arr.size()<<endl;//输出:5cout<<"Isarrayempty?"<<(arr.empty()?"Yes":"No")<<endl;//输出:Nocout<<"Elementsusingrange-basedforloop:";for(intx:arr){cout<<x<<“”;//输出:1020304050}cout<<endl;array填充与排序，包括fill(value)、swap(other_array)、sort(arr.begin(),arr.end())。

fill(value);//用指定的值填充数组中的所有元素。swap(other_array);//交换两个数组的内容。sort(arr.begin(),arr.end())//对数组中的元素进行排序，默认按升序排列。以下代码通过具体示例演示这些操作的使用方式：array<int,5>arr={5,2,8,1,4};arr.fill(10)