C++泛型与多态(2):模板特化

模板的特化Specialisation)分为:

  • 全特化Full SpecialisationExplicit Specialisation
  • 部分特化Partial Specialisation

其中,部分特化一般被翻译为偏特化,但我认为部分特化是个和全特化对照的名字,更容易理解。

全特化部分特华之间的区别非常简单:如果特化后的版本,

  • 不再有模板参数,就是全特化
  • 仍然有模板参数,就是部分特化

比如:

template <typename T> 
struct Foo;                      // 基础模板

template <>
struct Foo<double>;              // 全特化

template <typename T> 
struct Foo<T*>;                  // 部分特化

template <typename T1, typename T2> 
struct Foo<void (T1, T2)>;    // 部分特化
template <typename T, typename R>
struct Bar;                 // 基础模板
 
template <>
struct Bar<double, int>;    // 全特化

template <typename T> 
struct Bar<T, int>;         // 部分特化

函数模板的特化

部分特化类模板的专利。函数模板对此特性并不支持,它只支持全特化

这是因为C++支持函数重载,连模板函数也可以重载,通过它就基本可以达到部分特化的效果。比如:

template <typename T1, typename T2>  
void f(T1, T2);  // 基础模板f

template <typename T> 
void f(T1, int); // 重载:另一个基础模板f,而不是部分特化 

template <typename T> 
void g(T1);      // 基础模板 g

template <typename T> 
void g(T1*)      // 重载:另一个基础模板g,而不是部分特化

避免特化函数模板

事实上,对于函数模板来说,即便是全特化,也最好不要使用。取而代之,你应该使用函数重载

template <typename T>
T min(T, T);       // 基础模板 min 

int min(int, int); // 使用函数重载(这是一个普通函数) 

template <> 
int min<int>(int, int); // 函数模板特化: DON'T DO THIS!

正如你看到的,模板特化的语法形式更加复杂,但这不是不使用函数模板特化的主要原因。

主要原因在于,和函数重载比较起来,特化后的模板函数属于二等公民

简单的说,当编译器对一个函数调用选择其合适的实现时,优先级从高到低依次为:

  1. 普通函数
  2. 基础模板
  3. 特化模板

一等公民

普通函数基础模板都属于函数重载C++将它们都看作一等公民

当对一个函数调用选择实现时,C++会从它们中间选择一个最匹配的版本。比如:

template <typename T>
void f(T, double); // (a) 

void f(int, int);  // (b)

f(5, 2.0);         // 选择 (a) 
f(5, 10);          // 选择 (b) 

普通函数基础模板的选择出现二义性时,普通函数会被优先选择。因为C++总是选择最特殊的版本(most specialized):

template <typename T>
T min(T, T);       // (a) 

int min(int, int); // (b)

min(5, 10);        // 语义上两者都匹配,选择(b) 

另外,普通函数相对于模板函数要更有弹性:普通函数支持类型的自动转化;但模板函数则更刻板,不能发现类型之间的自动转换关系。

template <typename T> 
T min(T, T); 

min(5, (short)10); // 编译出错

int min(int, int);

min(5, (short)10); // 编译成功 

在这种情况下,当一个调用需要在两者之间作出选择时,普通函数会是获胜者。

template <typename T>
T min(T, T);        // (a) 

int min(int, int); // (b)

min(5, (short)10); // 选择 (b) 

总结起来,作为一等公民,所有的重载函数——无论是普通函数还是基础模板函数——都被作为第一等级的候选对象;C++编译器会在它们之间找到那个最为匹配的版本。

如果出现二义性,则优先选择普通函数

二等公民

如果最匹配的版本是基础模板函数,编译器才会去查看它名下的特化版本。如果它们之中存在一个比基础模板函数更匹配的版本,才会选择这个特化版本。这正是为何将模板特化函数称为二等公民的原因。

函数选择优先级
函数选择优先级

而下面这个例子则反映了模板特化函数的二等公民地位:

template <typename T>  
void f(T);     // (a): 基础模板

template<> 
void f(int*);  // (b): (a)的特化版本

template <typename T> 
void f(T*);    // (c): 基础模板,重载

int a = 10; 
f(&a);  // 选择 (c): 尽管 (b) 更匹配,但它是二等公民 

一旦将其改为普通重载函数,就可以选择最匹配的函数:

template <typename T> 
void f(T);    // (a): 基础模板

void f(int*); // (b): 普通函数,重载

template <typename T> 
void f(T*);   // (c): 基础模板,重载

int a = 10; 
f(&a);        // 选择 (b)

小结

本文主要介绍了函数模版特化的性质。在下篇文章里,会介绍模版特化的另一个类别:类模版特化

相关链接

深入理解C++泛型(1):基础篇

深入理解C++泛型(3):类模板特化

深入理解C++泛型(4):Duck Typing

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