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C++ 模板特化与偏特化

时间：2023-09-26 22:54:31

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C++ 模板特化与偏特化

文章目录

1.模板特化1.1 概述1.2 函数模板特化1.3 类模板特化 2.模板偏特化2.1 概述2.2 函数模板偏特化2.3 类模板偏特化 3.模板类调用优先级参考文献

1.模板特化

1.1 概述

模板特化（template specialization）不同于模板的实例化，模板参数在某种特定类型下的具体实现称为模板特化。模板特化有时也称之为模板的具体化，分别有函数模板特化和类模板特化。

1.2 函数模板特化

函数模板特化指函数模板在模板参数为特定类型下的特定实现。查看以下示例：

#include <iostream>using namespace std;template<typename T> T Max(T t1,T t2) {return (t1>t2)?t1:t2;}typedef const char* CCP;template<> CCP Max<CCP>(CCP s1,CCP s2) {return (strcmp(s1,s2)>0)?s1:s2;}int main() {// 隐式调用实例：int Max<int>(int,int)int i=Max(10,5);// 显式调用特化版本：const char* Max<const char*>(const char*,const char*)const char* p=Max<const char*>("very","good");cout<<"i:"<<i<<endl;cout<<"p:"<<p<<endl;}

程序正常编译运行结果：

i:10p:very

在函数模板显示特化定义（Explicit Specialization Definition）中，显示关键字 template 和一对尖括号 <>，然后是函数模板特化的定义。该定义指出了模板名、被用来特化模板的模板实参，以及函数参数表和函数体。在上面的程序中，如果不给出函数模板Max< T>在T为const char*时的特化版本，那么在比较两个字符串的大小时，比较的是字符串的起始地址的大小，而不是字符串的内容在字典序中的先后次序。

除了定义函数模板特化版本外，还可以直接给出模板函数在特定类型下的重载形式（普通函数）。使用函数重载可以实现函数模板特化的功能，也可以避免函数模板的特定实例的失效。例如，把上面的模板特化可以改成如下重载函数。

typedef const char* CCP;CCP Max(CCP s1,CCP s2) {return (strcmp(s1,s2)>0)?s1:s2;}

程序运行结果和使用函数模板特化相同。但是，使用普通函数重载和使用模板特化还是有不同之处，主要表现在如下两个方面：

（1）如果使用普通重载函数，那么不管是否发生实际的函数调用，都会在目标文件中生成该函数的二进制代码。而如果使用模板的特化版本，除非发生函数调用，否则不会在目标文件中包含特化模板函数的二进制代码。这符合函数模板的“惰性实例化”准则。

（2）如果使用普通重载函数，那么在分离编译模式下，需要在各个源文件中包含重载函数的申明，否则在某些源文件中就会使用模板函数，而不是重载函数。

1.3 类模板特化

类模板特化类似于函数模板的特化，即类模板参数在某种特定类型下的具体实现。考察如下代码：

#include <iostream>using namespace std;template<typename T>class A {T num;public:A(){num=T(6.6);}void print(){cout<<"A'num:"<<num<<endl;}};template<> class A<char*> {char* str;public:A() {str="A' special definition ";}void print() {cout<<str<<endl;}};int main() {A<int> a1;//显示模板实参的隐式实例化a1.print();A<char*> a2; //使用特化的类模板A2.print();}

程序输出结果如下：

A'num:6A' special definition

2.模板偏特化

2.1 概述

模板偏特化（Template Partitial Specialization）是模板特化的一种特殊情况，指显示指定部分模板参数而非全部模板参数，或者指定模板参数的部分特性分而非全部特性，也称为模板部分特化。与模板偏特化相对的是模板全特化，指对所有模板参数进行特化。模板全特化与模板偏特化共同组成模板特化。

模板偏特化主要分为两种，一种是指对部分模板参数进行全特化，另一种是对模板参数特性进行特化，包括将模板参数特化为指针、引用或是另外一个模板类。

2.2 函数模板偏特化

假如我们有一个 compare 函数模板，在比较数值大小时没有问题，如果传入的是数值的地址，我们需要比较两个数值的大小，而非比较传入的地址大小。此时我们需要对 compare 函数模板进行偏特化。考察如下代码：

#include <vector>#include <iostream> using namespace std;// 函数模板template<typename T, class N> void compare(T num1, N num2) {cout << "standard function template" << endl;if(num1>num2) {cout << "num1:" << num1 << " > num2:" << num2 <<endl;} else {cout << "num1:" << num1 << " <= num2:" << num2 << endl;}}// 对部分模板参数进行特化template<class N> void compare(int num1, N num2) {cout<< "partitial specialization" <<endl;if (num1>num2)cout << "num1:" << num1 << " > num2:" << num2 << endl;elsecout << "num1:" << num1 << " <= num2:" << num2 << endl;}// 将模板参数特化为指针(模板参数的部分特性)template<typename T, class N> void compare(T* num1, N* num2) {cout << "new partitial specialization" << endl;if (*num1>*num2)cout << "num1:" << *num1 << " > num2:" << *num2 << endl;elsecout << "num1:" << *num1 << " <= num2:" << *num2 << endl;}// 将模板参数特化为另一个模板类template<typename T, class N> void compare(std::vector<T>& vecLeft, std::vector<T>& vecRight) {cout << "to vector partitial specialization" << endl;if (vecLeft.size()>vecRight.size())cout << "vecLeft.size()" << vecLeft.size() << " > vecRight.size():" << vecRight.size() << endl;elsecout << "vecLeft.size()" << vecLeft.size() << " <= vecRight.size():" << vecRight.size() << endl;}int main() {// 调用非特化版本 compare<int,int>(int num1, int num2)compare<int,int>(30,31);// 调用偏特化版本 compare<char>(int num1, char num2)compare(30,'1');int a = 30;char c = '1';// 调用偏特化版本 compare<int,char>(int* num1, char* num2)compare(&a, &c);vector<int> vecLeft{0};vector<int> vecRight{1,2,3};// 调用偏特化版本 compare<int,char>(int* num1, char* num2)compare<int,int>(vecLeft,vecRight);}

程序输出结果如下：

standard function templatenum1:30 <= num2:31partitial specializationnum1:30 <= num2:1new partitial specializationnum1:30 <= num2:1to vector partitial specializationvecLeft.size()1 <= vecRight.size():3

2.3 类模板偏特化

类模板的偏特化与函数模板的偏特化类似。考察如下代码：

#include <vector>#include <iostream> using namespace std;// 类模板template<typename T, class N> class TestClass {public:static bool comp(T num1, N num2) {cout <<"standard class template"<< endl;return (num1<num2) ? true : false;}};// 对部分模板参数进行特化template<class N> class TestClass<int, N> {public:static bool comp(int num1, N num2) {cout << "partitial specialization" << endl;return (num1<num2) ? true : false;}};// 将模板参数特化为指针template<typename T, class N> class TestClass<T*, N*> {public:static bool comp(T* num1, N* num2) {cout << "new partitial specialization" << endl;return (*num1<*num2) ? true : false;}};// 将模板参数特化为另一个模板类template<typename T, class N> class TestClass<vector<T>,vector<N>> {public:static bool comp(const vector<T>& vecLeft, const vector<N>& vecRight) {cout << "to vector partitial specialization" << endl;return (vecLeft.size()<vecRight.size()) ? true : false;}};int main() {// 调用非特化版本cout << TestClass<char, char>::comp('0', '1') << endl;// 调用部分模板参数特化版本cout << TestClass<int,char>::comp(30, '1') << endl;// 调用模板参数特化为指针版本int a = 30;char c = '1';cout << TestClass<int*, char*>::comp(&a, &c) << endl;// 调用模板参数特化为另一个模板类版本vector<int> vecLeft{0};vector<int> vecRight{1,2,3};cout << TestClass<vector<int>, vector<int>>::comp(vecLeft,vecRight) << endl;}

程序输出结果：

standard class template1partitial specialization1new partitial specialization1to vector partitial specialization1

3.模板类调用优先级

对主版本模板类、全特化类、偏特化类的调用优先级从高到低进行排序是：全特化类>偏特化类>主版本模板类。这样的优先级顺序对性能也是最好的。

但是模板特化并不只是为了性能优化，更多是为了让模板函数能够正常工作，最典型的例子就是 STL中的 iterator_traits。algorithm 中大多数算法通过 iterator 对象来处理数据，但是同时允许以指针代替 iterator 对象，这是为了支持 C-Style Array。如果直接操作 iterator，那么为了支持指针类型，每个算法函数都需要进行重载，因为指针没有::value_type类型。为了解决这个问题，STL 使用了 iterator_traits 对 iterator 特性进行封装，并为指针类型做了偏特化处理，算法通过它来操作 iterator，不需要知道实际操作的是 iterator 对象还是指针。

template<typename IteratorClass> class iterator_traits...template<typename ValueType> class iterator_traits<ValueType*>...template<typename ValueType> class iterator_traits<ValueType const*>...

后面两是针对指针类型的偏特化，也是偏特化的一种常见形式。