C++函數模板（Function Template）

在《C++函數重載》一節中，為了交換不同類型的變量的值，我們通過函數重載定義了四個名字相同、參數列表不同的函數，如下所示：

//交換 int 變量的值
void Swap(int *a, int *b){
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

//交換 float 變量的值
void Swap(float *a, float *b){
    float temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

//交換 char 變量的值
void Swap(char *a, char *b){
    char temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

//交換 bool 變量的值
void Swap(bool *a, bool *b){
    char temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

這些函數雖然在調用時方便了一些，但從本質上說還是定義了三個功能相同、函數體相同的函數，只是數據的類型不同而已，這看起來有點浪費代碼，能不能把它們壓縮成一個函數呢？

能！可以借助本節講的函數模板。

我們知道，數據的值可以通過函數參數傳遞，在函數定義時數據的值是未知的，只有等到函數調用時接收了實參才能確定其值。這就是值的參數化。

在C++中，數據的類型也可以通過參數來傳遞，在函數定義時可以不指明具體的數據類型，當發生函數調用時，編譯器可以根據傳入的實參自動推斷數據類型。這就是類型的參數化。

值（Value）和類型（Type）是數據的兩個主要特征，它們在C++中都可以被參數化。

所謂函數模板，實際上是建立一個通用函數，它所用到的數據的類型（包括返回值類型、形參類型、局部變量類型）可以不具體指定，而是用一個虛擬的類型來代替（實際上是用一個標識符來占位），等發生函數調用時再根據傳入的實參來逆推出真正的類型。這個通用函數就稱為函數模板（Function Template）。

在函數模板中，數據的值和類型都被參數化了，發生函數調用時編譯器會根據傳入的實參來推演形參的值和類型。換個角度說，函數模板除了支持值的參數化，還支持類型的參數化。

一但定義了函數模板，就可以將類型參數用於函數定義和函數聲明了。說得直白一點，原來使用 int、float、char 等內置類型的地方，都可以用類型參數來代替。

下面我們就來實踐一下，將上面的四個Swap() 函數壓縮為一個函數模板：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T> void Swap(T *a, T *b){
    T temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main(){
    //交換 int 變量的值
    int n1 = 100, n2 = 200;
    Swap(&n1, &n2);
    cout<<n1<<", "<<n2<<endl;
   
    //交換 float 變量的值
    float f1 = 12.5, f2 = 56.93;
    Swap(&f1, &f2);
    cout<<f1<<", "<<f2<<endl;
   
    //交換 char 變量的值
    char c1 = 'A', c2 = 'B';
    Swap(&c1, &c2);
    cout<<c1<<", "<<c2<<endl;
   
    //交換 bool 變量的值
    bool b1 = false, b2 = true;
    Swap(&b1, &b2);
    cout<<b1<<", "<<b2<<endl;

    return 0;
}

運行結果：
200, 100
56.93, 12.5
B, A
1, 0

請讀者重點關注第 4 行代碼。template是定義函數模板的關鍵字，它後面緊跟尖括號<>，尖括號包圍的是類型參數（也可以說是虛擬的類型，或者說是類型占位符）。typename是另外一個關鍵字，用來聲明具體的類型參數，這裡的類型參數就是T。從整體上看，template<typename T>被稱為模板頭。

模板頭中包含的類型參數可以用在函數定義的各個位置，包括返回值、形參列表和函數體；本例我們在形參列表和函數體中使用了類型參數T。

類型參數的命名規則跟其他標識符的命名規則一樣，不過使用 T、T1、T2、Type 等已經成為了一種慣例。

定義了函數模板後，就可以像調用普通函數一樣來調用它們了。

在講解C++函數重載時我們還沒有學到引用（Reference），為了達到交換兩個變量的值的目的只能使用指針，而現在我們已經對引用進行了深入講解，不妨趁此機會來實踐一把，使用引用重新實現 Swap() 這個函數模板：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T> void Swap(T &a, T &b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main(){
    //交換 int 變量的值
    int n1 = 100, n2 = 200;
    Swap(n1, n2);
    cout<<n1<<", "<<n2<<endl;
   
    //交換 float 變量的值
    float f1 = 12.5, f2 = 56.93;
    Swap(f1, f2);
    cout<<f1<<", "<<f2<<endl;
   
    //交換 char 變量的值
    char c1 = 'A', c2 = 'B';
    Swap(c1, c2);
    cout<<c1<<", "<<c2<<endl;
   
    //交換 bool 變量的值
    bool b1 = false, b2 = true;
    Swap(b1, b2);
    cout<<b1<<", "<<b2<<endl;

    return 0;
}

引用不但使得函數定義簡潔明了，也使得調用函數方便了很多。整體來看，引用讓編碼更加漂亮。

下面我們來總結一下定義模板函數的語法：

template <typename 類型參數1 , typename 類型參數2 , ...> 返回值類型  函數名(形參列表){
    //在函數體中可以使用類型參數
}

類型參數可以有多個，它們之間以逗號,分隔。類型參數列表以< >包圍，形式參數列表以( )包圍。

typename關鍵字也可以使用class關鍵字替代，它們沒有任何區別。C++ 早期對模板的支持並不嚴謹，沒有引入新的關鍵字，而是用 class 來指明類型參數，但是 class 關鍵字本來已經用在類的定義中了，這樣做顯得不太友好，所以後來 C++ 又引入了一個新的關鍵字 typename，專門用來定義類型參數。不過至今仍然有很多代碼在使用 class 關鍵字，包括 C++ 標准庫、一些開源程序等。

本教程會交替使用 typename 和 class，旨在讓讀者在別的地方遇到它們時不會感覺陌生。更改上面的 Swap() 函數，使用 class 來指明類型參數：

template<class T> void Swap(T &a, T &b){
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

除了將 typename 替換為 class，其他都是一樣的。

為了加深對函數模板的理解，我們再來看一個求三個數的最大值的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

//聲明函數模板
template<typename T> T max(T a, T b, T c);

int main( ){
    //求三個整數的最大值
    int i1, i2, i3, i_max;
    cin >> i1 >> i2 >> i3;
    i_max = max(i1,i2,i3);
    cout << "i_max=" << i_max << endl;

    //求三個浮點數的最大值
    double d1, d2, d3, d_max;
    cin >> d1 >> d2 >> d3;
    d_max = max(d1,d2,d3);
    cout << "d_max=" << d_max << endl;

    //求三個長整型數的最大值
    long g1, g2, g3, g_max;
    cin >> g1 >> g2 >> g3;
    g_max = max(g1,g2,g3);
    cout << "g_max=" << g_max << endl;

    return 0;
}

//定義函數模板
template<typename T>  //模板頭，這裡不能有分號
T max(T a, T b, T c){ //函數頭
    T max_num = a;
    if(b > max_num) max_num = b;
    if(c > max_num) max_num = c;
    return max_num;
}

運行結果：
12  34  100↙
i_max=100
73.234  90.2  878.23↙
d_max=878.23
344  900  1000↙
g_max=1000

函數模板也可以提前聲明，不過聲明時需要帶上模板頭，並且模板頭和函數定義（聲明）是一個不可分割的整體，它們可以換行，但中間不能有分號。