面试题：C++中如何通过模板提高类型安全性

模板在编译期进行类型检查以提高类型安全性的原理

函数模板：当编译器遇到函数模板的调用时，它会根据调用时传入的实参类型，推导出模板参数的类型。然后，编译器为该特定类型实例化一个函数版本。在实例化过程中，编译器会检查函数体中针对该类型的所有操作是否合法。例如，如果函数模板中有算术运算，而传入的类型不支持该算术运算，编译器会报错。这种类型检查在编译期进行，确保了只有支持所需操作的类型才能正确实例化函数，从而提高类型安全性。
类模板：类似地，当定义类模板的对象时，编译器根据传入的模板参数类型实例化类。在类模板内部，对成员函数、成员变量等的操作也会根据实例化的类型进行检查。如果类模板的成员函数中有对成员变量的操作，而成员变量类型不支持该操作，编译时就会报错。这保证了类的行为在使用不同类型实例化时都符合类型安全的要求。

函数模板在类型安全方面的具体应用示例

#include <iostream>

// 函数模板定义
template <typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int result1 = add(3, 5); // 编译器推导出T为int，实例化add<int>
    double result2 = add(2.5, 3.5); // 编译器推导出T为double，实例化add<double>

    // 以下调用会编译错误，因为bool类型不支持加法运算
    // bool result3 = add(true, false);

    std::cout << "Int result: " << result1 << std::endl;
    std::cout << "Double result: " << result2 << std::endl;

    return 0;
}

在上述示例中，add函数模板根据传入参数的类型实例化不同版本。如果传入不支持加法运算的类型，编译器会在编译期报错，避免了运行时错误，提高了类型安全性。

类模板在类型安全方面的具体应用示例

#include <iostream>

// 类模板定义
template <typename T>
class Stack {
private:
    T* data;
    int topIndex;
    int capacity;

public:
    Stack(int cap) : capacity(cap), topIndex(-1) {
        data = new T[capacity];
    }

    ~Stack() {
        delete[] data;
    }

    void push(T value) {
        if (topIndex < capacity - 1) {
            data[++topIndex] = value;
        }
    }

    T pop() {
        if (topIndex >= 0) {
            return data[topIndex--];
        }
        return T(); // 返回默认值
    }
};

int main() {
    Stack<int> intStack(5);
    intStack.push(10);
    int value = intStack.pop();
    std::cout << "Popped int value: " << value << std::endl;

    Stack<double> doubleStack(3);
    doubleStack.push(3.14);
    double dValue = doubleStack.pop();
    std::cout << "Popped double value: " << dValue << std::endl;

    // 以下代码会编译错误，因为Stack<char>的pop函数返回char类型，不能赋值给int
    // Stack<char> charStack(2);
    // int wrongValue = charStack.pop();

    return 0;
}

在此类模板Stack的示例中，根据不同的模板参数类型（如int、double）实例化不同版本的Stack类。编译器会检查对Stack对象的操作是否符合该类型的特性。如果进行不匹配类型的操作，编译时会报错，增强了类型安全性。

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函数模板在类型安全方面的具体应用示例

类模板在类型安全方面的具体应用示例