模板和泛型编程

模板是 C++ 中一个强大的功能，它允许你编写适用于不同数据类型的通用代码，而无需为每种类型重写相同的代码。这是一种泛型编程的形式，旨在编写独立于其操作的特定数据类型的算法和数据结构。虽然 JavaScript 通过其动态类型实现了一种泛型形式，但 C++ 模板提供了编译时类型安全和性能。

函数模板

函数模板定义了一系列可以操作不同数据类型的函数。编译器根据调用模板时使用的类型生成实际的函数（模板实例化）。

类模板

类模板定义了一系列可以存储和操作不同数据类型对象的类。这通常用于通用数据结构，如列表、栈、队列等。

模板特化和部分特化

有时，通用模板对于某些特定类型可能不是最佳的，甚至是不正确的。模板特化允许你提供一个完全不同的实现，用于特定类型。部分特化允许你为模板参数的子集提供特化实现。

完全特化

部分特化 (用于类模板)

部分特化仅适用于类模板，不适用于函数模板。

可变参数模板

可变参数模板允许函数或类接受任意数量的不同类型参数。这对于像 printf 这样的函数或创建自定义日志机制非常有用。

模板元编程基础

模板元编程 (TMP) 是一种技术，其中模板用于在编译时而不是运行时执行计算。这可以产生高度优化的代码，但它也可能复杂且难以调试。

常见用途包括：

• 编译时计算（例如，阶乘、斐波那契数列）。
• 类型特性（查询类型的属性）。
• 根据类型生成代码。

与 JavaScript 泛型的比较

JavaScript 没有像 C++ 模板那样的正式“泛型”系统。它的动态类型系统本身提供了一种泛型形式：

• 动态类型： 函数和类可以操作任何类型的值，而无需明确的类型参数。类型检查在运行时进行。
• 灵活性： 这提供了极大的灵活性并减少了样板代码。
• 运行时错误： 然而，与类型相关的错误在运行时捕获，而不是编译时。

相比之下，C++ 模板提供：

• 编译时泛型： 类型在编译时检查，从而更早地检测到错误并提高性能。
• 类型安全： 确保操作对于正在使用的类型是有效的。
• 代码膨胀（潜在）： 每个模板实例化都会生成单独的代码，这可能会增加可执行文件的大小。

模板最佳实践

1. 保持简单： 当需要真正的泛型时才使用模板；避免过度设计。
2. 分离声明和定义（对于较大的模板）： 对于类模板，通常将声明放在 .h 文件中，将定义放在 .tpp 或 .hpp 文件中，然后在 .h 文件的末尾包含 .tpp。对于函数模板，定义通常在头文件中。
3. 使用 typename vs. class： typename 通常更适合模板类型参数，尤其是在处理依赖类型时。
4. 基于概念的约束 (C++20)： 使用 C++20 Concepts 来约束模板参数，使模板错误更具可读性并提供更好的编译时检查。
5. 避免过度元编程： 虽然功能强大，但 TMP 可能会使代码难以阅读和调试。谨慎使用。

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练习题：

1. 解释 C++ 中函数模板和类模板的用途。提供一个简单的示例。
2. 何时会使用模板特化？描述一个有益的场景。
3. C++ 的模板系统与 JavaScript 实现泛型的方式有何不同？讨论每种方法的优缺点。

项目构想：

• 在 C++ 中实现一个通用的 Stack 类模板，它可以存储任何数据类型的元素。包括 push、pop、top 和 isEmpty 等方法。演示其与 int、double 和 std::string 类型的用法。