泛型编程——模板及模板的特例化
1. 简介
面向对象编程（OOP）和泛型编程都能处理在编写程序时不知道类型的情况。不同之处在于：OOP能处理类型在程序运行之前都未知的情况；而泛型编程中，在编译时就能获知类型了。
模板是C++中
泛型编程的基础。一个模板就是一个创建类或函数的蓝图或者说公式。当使用一个vector这样的泛型类型，或者find这样的泛型函数。这种转换发生在编译时。
编写单一模板，使之对任何可能的模板实参都是最合适的，都能实例化，这并不总是能办到。在某些情况下，通用模板的定义对特定类型是不合适的：通用定义可能编译失败或做得不正确。其他时候，我们也可以利用某些特定知识来编写更高效的代码，而不是从通用的模板 实例化。当我们不能（或不希望）使用模板版本时，可以定义类或函数模板的一个特例化版本。
在这里我们主要说说
模板和
模板的特例化。
2. 函数模板
我们可以定义一个通用的函数模板，而不是为每个类型都定义一个新函数。一个函数模板就是一个公式，可用来生成针对特定类型的函数版本。
假如我们希望编写一个函数来比较两个值，并指出第一个值是小于、等于或大于第二个值。我们的一种方案是定义多个重载函数：
// 如果两个值相等，返回0，如果v1小于v2返回-1，如果v1大于v2返回1
int compare(const std::string &v1, const std::string &v2)
{
if (v1 < v2)
return -1;
if (v1 > v2)
return 1;
return 0;
}
int compare(const double &v1, const double &v2)
{
if (v1 < v2)
return -1;
if (v1 > v2)
return 1;
return 0;
}
如果对每种希望比较的类型都不得不重复定义完全一样的函数体，是非常繁琐且容易出错的。更麻烦的是在编写程序的时候，我们就要确定可能要compare的所有类型。
对此，我们的解决方案是定义一个通用的函数模板，而不是为每个类型都定义一个新函数。一个函数模板就是一个公式，可用来生成针对特定类型的函数版本。compare的模板版本可能像下面这样：
templete
int compare(const T &v1, const T &v2)
{
if (v1 < v2)
return -1;
if (v1 > v2)
return 1;
return 0;
} std::cout << compare(1, 0) << std::endl; //实例化出——int compare(const int &v1, const int &v2)
std::cout << compare(str1, str2) << std::endl; //实例化出——int compare(const std::string &v1, const std::string &v2)
//其中std::string str1, str2;
为了处理字符指针，可以为我们的compare函数模板定义一个模板特例化版本。一个特例化版本就是模板的一个独立的定义，在其中一个或多个模板参数被指定为特定的类型。
当我们特例化一个函数模板时，必须为原模板中的每个模板参数都提供实参。
// compare 的特殊版本，处理字符数组的指针
templete<>
int compare(const char *const &p1, const char * const &p2)
{
return strcmp(p1, p2);
}
除了定义类型参数，还可以在模板中定义非类型参数。一个非类型参数表示一个值而非一个类型。我们通过一个特定的类型名而非关键字class或typename来指定费类型参数。
当一个模板被实例时，非类型参数被一个用户提供的或编译器推断出的值所代替。这些值必须是常量表达式，从而允许编译器在编译时实例化模板。
例如，我们可以编写一个compare版本处理字符串字面常量。这种字面常量是const char的数组。由于不能拷贝一个数组，所以我们将自己的参数定义为数组的引用。由于我们希望能比较不同长度的字符串字面常量，因此为模板定义了两个非类型的参数。第一个模板参数表示第一个数组的长度，第二个参数表示第二个数组的长度。
templete
int compare(const char (&p1)[N], const char (&p2)[M])
{
return strcmp(p1, p2);
}
当我们以下面的方式调用compare时：
compare("hi", "mom")
编译器会使用字面常量的大小来代替N和M，从而实例化模板。编译器会在一个字符串字面常量的末尾插入一个空字符作为终结符。
编译器实例化出来如下版本：
int compare(const char (&p1)[3], const char (&p2)[4]) 3. 类模板
类模板是用来生成类的蓝图。与函数模板的不同之处是，编译器不能为类模板推断参数类型。为了使用类模板，我们必须在模板名后的尖括号中提供额外信息——用来代替模板参数的模板实参列表。
与函数模板不同，类模板分为特例化和部分特例化。也就是说我们可以只指定一部分而非所有模板参数，或是参数的一部分而非全部特性。
3.1 类模板特例化
关于类模板及类模板的特例化，我们以boost库中的时间工具progress_timer作为例子。为此我们先来看看progress_timer的实现。
class progress_timer : public timer, private noncopyable
{
public:
explicit progress_timer( std::ostream & os = std::cout )
// os is hint; implementation may ignore, particularly in embedded systems
: timer(), noncopyable(), m_os(os) {}
~progress_timer()
{
// A) Throwing an exception from a destructor is a Bad Thing.
// B) The progress_timer destructor does output which may throw.
// C) A progress_timer is usually not critical to the application.
// Therefore, wrap the I/O in a try block, catch and ignore all exceptions.
try
{
// use istream instead of ios_base to workaround GNU problem (Greg Chicares)
std::istream::fmtflags old_flags = m_os.setf( std::istream::fixed,
std::istream::floatfield );
std::streamsize old_prec = m_os.precision( 2 );
m_os << elapsed() << " s\n" // "s" is System International d'Unites std
<< std::endl;
m_os.flags( old_flags );
m_os.precision( old_prec );
}
catch (...) {} // eat any exceptions
} // ~progress_timer
private:
std::ostream & m_os;
};/*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: my_progress.h
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-23
*Description: 更高精度的计数器（boost::progress_time）模板实现
*Others:
**********************************************************************************/
#ifndef _MY_PROGRESS_H
#define _MY_PROGRESS_H
#include
#include
//使用模板实现的更高精度的progress_timer
template
class my_progress_timer : public boost::timer
{
public:
explicit my_progress_timer(std::ostream & os = std::cout)
:timer()
,m_os(os)
{
}
~my_progress_timer()
{
try
{
std::istream::fmtflags old_flags = m_os.setf(std::istream::fixed,
std::istream::floatfield);
std::streamsize old_prec = m_os.precision(N);
m_os << elapsed() << " s\n"
<< std::endl;
m_os.flags(old_flags);
m_os.precision(old_prec);
}
catch (...) {}
} // ~progress_timer
private:
std::ostream & m_os;
};
//我们提供一个模板的特例化，对于精度为2的直接继承progress_timer
template<>
class my_progress_timer<2> : public boost::progress_timer
{};
#endif //#ifndef _MY_PROGRESS_H /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: main.cpp
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-23
*Description: 测试用例
*Others:
**********************************************************************************/
#include
#include "my_progress.h"
using namespace std;
int main(void)
{
{
my_progress_timer<3> myTimer;
}
return 0;
} 0.000 s
template
class myContainer
{
public:
.....
private:
T m_Type;
.....
}; 3.2 类模板偏特化
关于类模板的偏特化就比其他的复杂了。在使用形式上就有多钟形式。但是类模板偏特化本质上都是指定部分类型。
我们先来看看最普通的情形：
//有二个参数的模板
template
class A { ... };
//偏特化版本，指定其中一个参数的类型
template
class A { ... }; /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: template.h
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化
*Others:
**********************************************************************************/
#ifndef _TEMPLATE_H
#define _TEMPLATE_H
#include
template
class CMyTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "类模板普通版本：" << std::endl;
}
};
template
class CMyTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "类模模板偏特化版本：" << std::endl;
}
};
#endif //#ifndef _TEMPLATE_H /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: template.h
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化
*Others:
**********************************************************************************/
#include
#include "template.h"
using namespace std;
int main(void)
{
CMyTemplate c1Template;
CMyTemplate c2Template;
c1Template.Display();
c2Template.Display();
return 0;
}
类模板普通版本：
类模模板偏特化版本：
在来看看，使用的比较多的形式：
//类模板
template
class A { ... };
//只接受指针类型的偏特化版本
template
class A { ... };
//只接受引用类型的偏特化版本
template
class A { ... }; /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: template.h
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化
*Others:
**********************************************************************************/
#ifndef _TEMPLATE_H
#define _TEMPLATE_H
#include
//类模板
template
class CTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "模板的普通版本" << std::endl;
}
};
//只接受指针类型的偏特化版本
template
class CTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "只接受指针类型的偏特化版本" << std::endl;
}
};
//只接受指针类型的偏特化版本
template
class CTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "只接受引用类型的偏特化版本" << std::endl;
}
};
#endif //#ifndef _TEMPLATE_H /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: main.cpp
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化的测试用例
*Others:
**********************************************************************************/
#include "template.h"
int main(void)
{
CTemplate cTemplate1;
CTemplate cTemplate2;
CTemplate cTemplate3;
cTemplate1.Display();
cTemplate2.Display();
cTemplate3.Display();
return 0;
} 模板的普通版本
只接受指针类型的偏特化版本
只接受引用类型的偏特化版本
最后，还有一种形式：
//类模板
template
class A { ... };
//只接受同T实例化的vector的模板参数
template
class A> { ... }; /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: template.h
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化
*Others:
**********************************************************************************/
#ifndef _TEMPLATE_H
#define _TEMPLATE_H
#include
#include
//类模板
template
class CTemplate
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "模板的普通版本" << std::endl;
}
};
//只接受T实例化的vector的模板参数
template
class CTemplate>
{
public:
void Display(void)
{
std::cout << "只接受T实例化的vector的模板参数" << std::endl;
}
};
#endif //#ifndef _TEMPLATE_H /*********************************************************************************
*Copyright(C),Your Company
*FileName: main.cpp
*Author: Huangjh
*Version:
*Date: 2018-01-24
*Description: 模板及特例化的测试用例
*Others:
**********************************************************************************/
#include
#include "template.h"
using namespace std;
int main(void)
{
CTemplate cTemplate1;
CTemplate> cTemplate2;
CTemplate> cTemplate3;
cTemplate1.Display();
cTemplate2.Display();
cTemplate3.Display();
return 0;
}
模板的普通版本
模板的普通版本
只接受T实例化的vector的模板参数4. 总结
关于模板这边只是简单的进行描述，关于模板的用途。我觉得也是很难去总结出来的。更多的时候在遇到的时候在深入学习。比如：查看STL源码时。