模板和泛型程式設計

模板是 C++ 中一個強大的功能，它允許你編寫適用於不同資料類型的通用程式碼，而無需為每種類型重寫相同的程式碼。這是一種泛型程式設計的形式，旨在編寫獨立於其操作的特定資料類型的演算法和資料結構。雖然 JavaScript 透過其動態類型實現了一種泛型形式，但 C++ 模板提供了編譯時類型安全和性能。

函式模板

函式模板定義了一系列可以操作不同資料類型的函式。編譯器根據呼叫模板時使用的類型生成實際的函式（模板實例化）。

類別模板

類別模板定義了一系列可以儲存和操作不同資料類型物件的類別。這通常用於通用資料結構，如列表、堆疊、佇列等。

模板特化和部分特化

有時，通用模板對於某些特定類型可能不是最佳的，甚至是不正確的。模板特化允許你為特定類型提供完全不同的實作。部分特化允許你為模板參數的子集提供特化實作。

完全特化

部分特化 (用於類別模板)

部分特化僅適用於類別模板，不適用於函式模板。

可變參數模板

可變參數模板允許函式或類別接受任意數量的不同類型參數。這對於像 printf 這樣的函式或建立自訂日誌機制非常有用。

模板元程式設計基礎

模板元程式設計 (TMP) 是一種技術，其中模板用於在編譯時而不是運行時執行計算。這可以產生高度優化的程式碼，但它也可能複雜且難以偵錯。

常見用途包括：

• 編譯時計算（例如，階乘、費波那契數列）。
• 類型特性（查詢類型的屬性）。
• 根據類型生成程式碼。

與 JavaScript 泛型的比較

JavaScript 沒有像 C++ 模板那樣的正式「泛型」系統。它的動態類型系統本身提供了一種泛型形式：

• 動態類型： 函式和類別可以操作任何類型的值，而無需明確的類型參數。類型檢查在運行時進行。
• 靈活性： 這提供了極大的靈活性並減少了樣板程式碼。
• 運行時錯誤： 然而，與類型相關的錯誤在運行時捕獲，而不是編譯時。

相比之下，C++ 模板提供：

• 編譯時泛型： 類型在編譯時檢查，從而更早地偵測到錯誤並提高性能。
• 類型安全： 確保操作對於正在使用的類型是有效的。
• 程式碼膨脹（潛在）： 每個模板實例化都會生成單獨的程式碼，這可能會增加可執行檔的大小。

模板最佳實踐

1. 保持簡單： 當需要真正的泛型時才使用模板；避免過度設計。
2. 分離宣告和定義（對於較大的模板）： 對於類別模板，通常將宣告放在 .h 檔案中，將定義放在 .tpp 或 .hpp 檔案中，然後在 .h 檔案的末尾包含 .tpp。對於函式模板，定義通常在標頭中。
3. 使用 typename vs. class： typename 通常更適合模板類型參數，尤其是在處理依賴類型時。
4. 基於概念的約束 (C++20)： 使用 C++20 Concepts 來約束模板參數，使模板錯誤更具可讀性並提供更好的編譯時檢查。
5. 避免過度元程式設計： 雖然功能強大，但 TMP 可能會使程式碼難以閱讀和偵錯。謹慎使用。

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練習題：

1. 解釋 C++ 中函式模板和類別模板的用途。提供一個簡單的範例。
2. 何時會使用模板特化？描述一個有益的場景。
3. C++ 的模板系統與 JavaScript 實現泛型的方式有何不同？討論每種方法的優缺點。

專案構想：

• 在 C++ 中實作一個通用的 Stack 類別模板，它可以儲存任何資料類型的元素。包括 push、pop、top 和 isEmpty 等方法。演示其與 int、double 和 std::string 類型的用法。