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C++模板的显式具体化

C++ 没有办法限制类型参数的范围,我们可以使用任意一种类型来实例化模板。但是模板中的语句(函数体或者类体)不一定就能适应所有的类型,可能会有个别的类型没有意义,或者会导致语法错误。

例如有下面的函数模板,它用来获取两个变量中较大的一个:

template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b){
    return a > b ? a : b;
}

请读者注意a > b这条语句,>能够用来比较 int、float、char 等基本类型数据的大小,但是却不能用来比较结构体变量、对象以及数组的大小,因为我们并没有针对结构体、类和数组重载>

另外,该函数模板虽然可以用于指针,但比较的是地址大小,而不是指针指向的数据,所以也没有现实的意义。

除了>+-*/==<等运算符也只能用于基本类型,不能用于结构体、类、数组等复杂类型。总之,编写的函数模板很可能无法处理某些类型,我们必须对这些类型进行单独处理。

模板是一种泛型技术,它能接受的类型是宽泛的、没有限制的,并且对这些类型使用的算法都是一样的(函数体或类体一样)。但是现在我们希望改变这种“游戏规则”,让模板能够针对某种具体的类型使用不同的算法(函数体或类体不同),这在 C++ 中是可以做到的,这种技术称为模板的显示具体化(Explicit Specialization)

函数模板和类模板都可以显示具体化,下面我们先讲解函数模板的显示具体化,再讲解类模板的显示具体化。

函数模板的显式具体化

在讲解函数模板的显示具体化语法之前,我们先来看一个显示具体化的例子:

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

typedef struct
{
    string name;
    int age;
    float score;
} STU;

//函数模板
template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b);
//函数模板的显示具体化(针对STU类型的显示具体化)
template<> const STU& Max<STU>(const STU& a, const STU& b);
//重载<<
ostream & operator<<(ostream &out, const STU &stu);

int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    cout<<Max(a, b)<<endl;
   
    STU stu1 = { "王明", 16, 95.5};
    STU stu2 = { "徐亮", 17, 90.0};
    cout<<Max(stu1, stu2)<<endl;

    return 0;
}

template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b)
{
    return a > b ? a : b;
}

template<> const STU& Max<STU>(const STU& a, const STU& b)
{
    return a.score > b.score ? a : b;
}

ostream & operator<<(ostream &out, const STU &stu)
{
    out<<stu.name<<" , "<<stu.age <<" , "<<stu.score;
    return out;
}

运行结果:

20
王明 , 16 , 95.5


本例中,STU 结构体用来表示一名学生(Student),它有三个成员,分别是姓名(name)、年龄(age)、成绩(score);Max() 函数用来获取两份数据中较大的一份。

要想获取两份数据中较大的一份,必然会涉及到对两份数据的比较。对于 int、float、char 等基本类型的数据,直接比较它们本身的值即可,而对于 STU 类型的数据,直接比较它们本身的值不但会有语法错误,而且毫无意义,这就要求我们设计一套不同的比较方案,从语法和逻辑上都能行得通,所以本例中我们比较的是两名学生的成绩(score)。

不同的比较方案最终导致了算法(函数体)的不同,我们不得不借助模板的显示具体化技术对 STU 类型进行单独处理。第 14 行代码就是显示具体化的声明,第 34 行代码进行了定义。

请读者注意第 34 行代码,Max<STU>中的STU表明了要将类型参数 T 具体化为 STU 类型,原来使用 T 的位置都应该使用 STU 替换,包括返回值类型、形参类型、局部变量的类型。

Max 只有一个类型参数 T,并且已经被具体化为 STU 了,这样整个模板就不再有类型参数了,类型参数列表也就为空了,所以模板头应该写作template<>

另外,Max<STU>中的STU是可选的,因为函数的形参已经表明,这是 STU 类型的一个具体化,编译器能够逆推出 T 的具体类型。简写后的函数声明为:

template<> const STU& Max(const STU& a, const STU& b);

函数的调用规则

回顾一下前面学习到的知识,在 C++ 中,对于给定的函数名,可以有非模板函数、模板函数、显示具体化模板函数以及它们的重载版本,在调用函数时,显示具体化优先于常规模板,而非模板函数优先于显示具体化和常规模板。

类模板的显式具体化

除了函数模板,类模板也可以显示具体化,并且它们的语法是类似的。

在《C++类模板》一节中我们定义了一个 Point 类,用来输出不同类型的坐标。在输出结果中,横坐标 x 和纵坐标 y 是以逗号,为分隔的,但是由于个人审美的不同,我希望当 x 和 y 都是字符串时以|为分隔,是数字或者其中一个是数字时才以逗号,为分隔。为了满足我这种奇葩的要求,可以使用显示具体化技术对字符串类型的坐标做特殊处理。

下面的例子演示了如何对 Point 类进行显示具体化:

#include <iostream>
using namespace std;

//类模板
template<class T1, class T2> class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const{ return m_x; }
    void setX(T1 x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    T1 m_x;
    T2 m_y;
};

template<class T1, class T2>  //这里要带上模板头
void Point<T1, T2>::display() const
{
    cout<<"x="<<m_x<<", y="<<m_y<<endl;
}

//类模板的显示具体化(针对字符串类型的显示具体化)
template<> class Point<char*, char*>
{
public:
    Point(char *x, char *y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    char *getX() const{ return m_x; }
    void setX(char *x){ m_x = x; }
    char *getY() const{ return m_y; }
    void setY(char *y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    char *m_x;  //x坐标
    char *m_y;  //y坐标
};

//这里不能带模板头template<>
void Point<char*, char*>::display() const
{
    cout<<"x="<<m_x<<" | y="<<m_y<<endl;
}

int main()
{
    ( new Point<int, int>(10, 20) ) -> display();
    ( new Point<int, char*>(10, "东京180度") ) -> display();
    ( new Point<char*, char*>("东京180度", "北纬210度") ) -> display();

    return 0;
}

运行结果:

x=10, y=20
x=10, y=东京180度
x=东京180度 | y=北纬210度


请读者注意第 25 行代码,Point<char*, char*>表明了要将类型参数 T1、T2 都具体化为char*类型,原来使用 T1、T2 的位置都应该使用char*替换。Point 类有两个类型参数 T1、T2,并且都已经被具体化了,所以整个类模板就不再有类型参数了,模板头应该写作template<>

再来对比第 19、40 行代码,可以发现,当在类的外部定义成员函数时,普通类模板的成员函数前面要带上模板头,而具体化的类模板的成员函数前面不能带模板头。

部分显式具体化

在上面的显式具体化例子中,我们为所有的类型参数都提供了实参,所以最后的模板头为空,也即template<>。另外 C++ 还允许只为一部分类型参数提供实参,这称为部分显式具体化。

部分显式具体化只能用于类模板,不能用于函数模板。

仍然以 Point 为例,假设我现在希望“只要横坐标 x 是字符串类型”就以|来分隔输出结果,而不管纵坐标 y 是什么类型,这种要求就可以使用部分显式具体化技术来满足。请看下面的代码:

#include <iostream>
using namespace std;

//类模板
template<class T1, class T2> class Point
{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const{ return m_x; }
    void setX(T1 x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    T1 m_x;
    T2 m_y;
};

template<class T1, class T2>  //这里需要带上模板头
void Point<T1, T2>::display() const
{
    cout<<"x="<<m_x<<", y="<<m_y<<endl;
}

//类模板的部分显示具体化
template<typename T2> class Point<char*, T2>
{
public:
    Point(char *x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    char *getX() const{ return m_x; }
    void setX(char *x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    char *m_x;  //x坐标
    T2 m_y;  //y坐标
};

template<typename T2>  //这里需要带上模板头
void Point<char*, T2>::display() const
{
    cout<<"x="<<m_x<<" | y="<<m_y<<endl;
}

int main()
{
    ( new Point<int, int>(10, 20) ) -> display();
    ( new Point<char*, int>("东京180度", 10) ) -> display();
    ( new Point<char*, char*>("东京180度", "北纬210度") ) -> display();

    return 0;
}

运行结果:

x=10, y=20
x=东京180度 | y=10
x=东京180度 | y=北纬210度


本例中,T1 对应横坐标 x 的类型,我们将 T1 具体化为char*,第 25 行代码就是类模板的部分显示具体化。

模板头template<typename T2>中声明的是没有被具体化的类型参数;类名Point<char*, T2>列出了所有类型参数,包括未被具体化的和已经被具体化的。

类名后面之所以要列出所有的类型参数,是为了让编译器确认“到底是第几个类型参数被具体化了”,如果写作template<typename T2> class Point<char*>,编译器就不知道char*代表的是第一个类型参数,还是第二个类型参数。