模版的全特化与偏特化

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模版的全特化与偏特化

前言

​ 在现代C++编程中，模板是实现代码泛型化的核心工具。它们允许程序员编写与类型无关的代码，同时保持高效和灵活性。然而，当遇到特定类型时，标准模板可能无法满足需求，或者产生不正确的结果。这就是特化的概念发挥作用的地方。特化允许开发者为特定类型提供定制化的实现，从而优化性能和功能。本文将详细介绍类模板与函数模板的全特化和偏特化，以及如何在C++中有效地使用它们。

一、特化概念引出

​ 通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板。

// 首先给出用作演示的类定义 class Date { 
    public: Date(int year, int month, int day): m_year(year), m_month(month), m_day(day){ 
   } bool operator<(const Date& d) { 
    if (m_year < d.m_year) { 
    return true; } else if (m_year == d.m_year) { 
    if (m_month < d.m_month) { 
    return true; } else if (m_month == d.m_month) { 
    if (m_day < d.m_day) { 
    return true; } } } return false; } friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d); private: int m_year; int m_month; int m_day; }; ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) { 
    out << "Date is " << d.m_year << "/" << d.m_month << "/" << d.m_day << "\n"; return out; } 

函数模版：

template<typename T> bool upper(T a, T b) { 
    return b < a; } 

测试演示案例：

void test1() { 
    Date d1(2022, 7, 7); Date d2(2022, 7, 8); Date* p1 = &d1; Date* p2 = &d2; cout << "d1 upper than d2: " << upper(d1, d2) << endl; cout << "p1 upper than p2: " << upper(p1, p2) << endl; } 

运行结果：

可以看到，upper() 绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是 upper() 内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

二、函数模版特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

函数模版定义处新增 模版特化 的函数：

// 函数模版 template<typename T> bool upper(T a, T b) { 
    return b < a; } // 函数模版特化 template<> bool upper<Date*>(Date* a, Date* b) { 
    return *b < *a; } 

重新运行 test1() 函数：

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

例如：

// 函数模版 template<typename T> bool upper(T a, T b) { 
     return b < a; } // 普通函数 bool upper(Date* a, Date* b) { 
     return *b < *a; } 

正如我们所知，同名普通函数和函数模版可以同时存在，所以不妨直接定义普通函数可以省去很多不必要的麻烦，因此函数模板不建议特化。

三、类模板特化

1. 全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

// 类模板 template<typename T> class Less { 
    public: bool operator()(T left, T right) { 
    return left < right; } }; 

测试函数：

#include <queue> void test2() { 
    priority_queue<Date, vector<Date>, Less<Date>> pq; // 调用普通类模板 Date d1(2022, 7, 7); Date d2(2022, 7, 8); Date d3(2022, 7, 6); pq.push(d1); pq.push(d2); pq.push(d3); for (; !pq.empty(); pq.pop()) { 
    cout << pq.top(); } cout << "" << endl; Date* p1 = &d1; Date* p2 = &d2; Date* p3 = &d3; priority_queue<Date*, vector<Date*>, Less<Date*>> pq2; // 调用全特化版本 pq2.push(p1); pq2.push(p2); pq2.push(p3); for (; !pq2.empty(); pq2.pop()) { 
    cout << *(pq2.top()); } } 

我们知道 priority_queue 可以基于谓词实现自排序，我们对其打印输出观察排序后优先队列内存储的元素顺序：

通过运行结果发现，存储元素为Date的优先队列实现了谓词指定的排序功能，而存储元素为Date*的优先队列呈现非有序状态。

所以对于Less仿函数需要针对Date*实现类的全特化，仅需在类模版声明后定义特化版本即可，代码如下：

// 类模板 template<typename T> class Less { 
    public: bool operator()(T left, T right) { 
    return left < right; } }; // 全特化 template<> class Less<Date*> { 
    public: bool operator()(Date* left, Date* right) { 
    return *left < *right; } }; 

注意：特化版本需要在类模版后面定义

重新运行 test2() 函数：

发现优先队列排序结果符合设想。

2. 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

比如对于以下模板类：

// 多模版参数模版类 template<typename T1, typename T2> class A { 
    public: A() { 
    cout << "类模版：A<T1, T2>" << endl; } private: T1 n; T2 m; }; 

<1> 部分特化 — 偏特化表现形式一

将模板参数类表中的一部分参数特化。

template<typename T1> class A<T1, int> { 
    public: A() { 
    cout << "偏特化：A<T1, int>" << endl; } private: T1 n; int m; }; 

<2> 参数更进一步限制 — 偏特化表现形式二

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

template<typename T1, typename T2> class A<T1*, T2*> { 
    public: A() { 
    cout << "偏特化：A<T1*, T2*>" << endl; } private: T1 n; T2 m; }; 

template<typename T1, typename T2> class A<T1&, T2&> { 
    public: A(const T1& a_n, const T2& a_m):n(a_n), m(a_m) { 
    cout << "偏特化：A<T1&, T2&>" << endl; } private: const T1& n; const T2& m; }; 

给出偏特化测试函数：

void test3() { 
    A<double, int> a1; // 调用特化的int版本 A<int, double> a2; // 调用基础的模板 A<int*, int*> a3; // 调用特化的指针版本 A<int&, int&> a4(1, 2); // 调用特化的指针版本 } 

运行结果：

总结

​ 通过全特化和偏特化，可以为特定类型或条件创建专门的模板实现，从而提高代码的效率和准确性。本文通过示例和详细解释，展示了如何在C++中实现和应用特化，随着对特化的深入理解，读者将能够更好地利用C++模板来构建灵活和高效的代码。