C++泛型與多態(2):模板特化

模板的特化Specialisation)分為:

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

其中,部分特化一般被翻譯為偏特化,但我認為部分特化是個和全特化對照的名字,更容易理解。

全特化部分特華之間的區別非常簡單:如果特化后的版本,

  • 不再有模板參數,就是全特化
  • 仍然有模板參數,就是部分特化

比如:

template <typename T> 
struct Foo;                      // 基礎模板

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;                 // 基礎模板
 
template <>
struct Bar<double, int>;    // 全特化

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

函數模板的特化

部分特化類模板的專利。函數模板對此特性并不支持,它只支持全特化

這是因為C++支持函數重載,連模板函數也可以重載,通過它就基本可以達到部分特化的效果。比如:

template <typename T1, typename T2>  
void f(T1, T2);  // 基礎模板f

template <typename T> 
void f(T1, int); // 重載:另一個基礎模板f,而不是部分特化 

template <typename T> 
void g(T1);      // 基礎模板 g

template <typename T> 
void g(T1*)      // 重載:另一個基礎模板g,而不是部分特化

避免特化函數模板

事實上,對于函數模板來說,即便是全特化,也最好不要使用。取而代之,你應該使用函數重載

template <typename T>
T min(T, T);       // 基礎模板 min 

int min(int, int); // 使用函數重載(這是一個普通函數) 

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

正如你看到的,模板特化的語法形式更加復雜,但這不是不使用函數模板特化的主要原因。

主要原因在于,和函數重載比較起來,特化后的模板函數屬于二等公民

簡單的說,當編譯器對一個函數調用選擇其合適的實現時,優先級從高到低依次為:

  1. 普通函數
  2. 基礎模板
  3. 特化模板

一等公民

普通函數基礎模板都屬于函數重載C++將它們都看作一等公民

當對一個函數調用選擇實現時,C++會從它們中間選擇一個最匹配的版本。比如:

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

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

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

普通函數基礎模板的選擇出現二義性時,普通函數會被優先選擇。因為C++總是選擇最特殊的版本(most specialized):

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

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

min(5, 10);        // 語義上兩者都匹配,選擇(b) 

另外,普通函數相對于模板函數要更有彈性:普通函數支持類型的自動轉化;但模板函數則更刻板,不能發現類型之間的自動轉換關系。

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

min(5, (short)10); // 編譯出錯

int min(int, int);

min(5, (short)10); // 編譯成功 

在這種情況下,當一個調用需要在兩者之間作出選擇時,普通函數會是獲勝者。

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

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

min(5, (short)10); // 選擇 (b) 

總結起來,作為一等公民,所有的重載函數——無論是普通函數還是基礎模板函數——都被作為第一等級的候選對象;C++編譯器會在它們之間找到那個最為匹配的版本。

如果出現二義性,則優先選擇普通函數

二等公民

如果最匹配的版本是基礎模板函數,編譯器才會去查看它名下的特化版本。如果它們之中存在一個比基礎模板函數更匹配的版本,才會選擇這個特化版本。這正是為何將模板特化函數稱為二等公民的原因。

函數選擇優先級
函數選擇優先級

而下面這個例子則反映了模板特化函數的二等公民地位:

template <typename T>  
void f(T);     // (a): 基礎模板

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

template <typename T> 
void f(T*);    // (c): 基礎模板,重載

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

一旦將其改為普通重載函數,就可以選擇最匹配的函數:

template <typename T> 
void f(T);    // (a): 基礎模板

void f(int*); // (b): 普通函數,重載

template <typename T> 
void f(T*);   // (c): 基礎模板,重載

int a = 10; 
f(&a);        // 選擇 (b)

小結

本文主要介紹了函數模版特化的性質。在下篇文章里,會介紹模版特化的另一個類別:類模版特化

相關鏈接

深入理解C++泛型(1):基礎篇

深入理解C++泛型(3):類模板特化

深入理解C++泛型(4):Duck Typing

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