C++模板函数和模板是在编译时确定还是在运行时确定？

编译时实例化

模板函数和模板类在编译时被实例化。这意味着编译器会根据模板参数生成具体的函数或类。例如

template 
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

当我们在代码中使用 add 函数时，编译器会生成具体的函数实例：

int main() {
    int result1 = add(3, 4);      // 实例化为 int add(int, int)
    double result2 = add(3.5, 4.2); // 实例化为 double add(double, double)
    return 0;
}

编译器会在编译时生成这两个具体的函数实例

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}


double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

静态类型检查

由于模板在编译时实例化，那么编译器自然可以在编译时进行静态类型检查。这确保了模板实例化后的代码是类型安全的。例如：

template 
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}


int main() {
    add(3, "hello"); // 编译错误：不能将字符串与整数相加
    return 0;
}

编译器会在编译时检测到类型不匹配的错误，并生成编译错误。

模版实例化技术细节

代码膨胀：

由于每个不同的模板参数类型都会生成一份独立的代码，这可能导致可执行文件大小增加。例如:

template
T max(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}


void test() {
    max(10, 20);       // 生成 int 版本
    max(10.5, 20.5);   // 生成 double 版本
    max('a', 'b');     // 生成 char 版本
}

延迟实例化：

模板代码只有在被使用时才会实例化，这是一种优化机制

template
class DelayedClass {
public:
    void unusedMethod() {
        T* ptr = nullptr;
        ptr->nonexistentMethod(); // 如果这个方法不被调用，编译不会报错
    }
    void usedMethod() {
        T value{};
        // 正常使用 T
    }
};
int main() {
    DelayedClass obj;
    obj.usedMethod(); // 只有这个方法被实例化
    return 0;
}

性能优化

模板的编译期实例化有几个重要的性能优势：

零运行时开销：由于所有的类型检查和代码生成都在编译期完成，运行时不需要额外的类型判断。

内联优化：编译器可以更容易地对模板代码进行内联优化。

模版元编程

模板元编程(Template Metaprogramming, TMP)是一种编程范式，它利用C++模板在编译期进行计算和类型操作。本质上是一种"编译期编程"，让编译器帮我们完成计算，生成代码。

// 编译期计算斐波那契数列
template
struct Fibonacci {
    static constexpr int value = Fibonacci::value + Fibonacci::value;
};


// 特化处理边界情况
template<>
struct Fibonacci<0> {
    static constexpr int value = 0;
};


template<>
struct Fibonacci<1> {
    static constexpr int value = 1;
};


// 使用
constexpr int result = Fibonacci<10>::value; // 编译期计算第10个斐波那契数

总结

C++模板的实例化是一个纯粹的编译期行为，这为C++提供了强大的静态多态能力和零运行时开销的泛型编程支持。