模板特化

1.模板特化
1.1概述
模板特化（template specialization）不同于模板的实例化，模板参数在某种特定类型下的具体实现称为模板特化。模板特化有时也称之为模板的具体化，

分别有函数模板特化和类模板特化。

1.2函数模板特化
函数模板特化指函数模板在模板参数为特定类型下的特定实现。查看以下示例：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T> T Max(T t1,T t2)
{
return (t1>t2)?t1:t2;
}

typedef const char* CCP;
template<> CCP Max<CCP>(CCP s1,CCP s2)
{
return (strcmp(s1,s2)>0)?s1:s2;
}

int main()
{
//隐式调用实例：int Max<int>(int,int)
int i=Max(10,5);

//显式调用特化版本：const char* Max<const char*>(const char*,const char*)
const char* p=Max<const char*>("very","good");
cout<<"i:"<<i<<endl;
cout<<"p:"<<p<<endl;
}

程序正常编译运行结果：

i:10
p:very

在函数模板显示特化定义（Explicit Specialization Definition）中，显示关键字template和一对尖括号<>，然后是函数模板特化的定义。

该定义指出了模板名、被用来特化模板的模板实参，以及函数参数表和函数体。在上面的程序中，如果不给出函数模板Max< T>在T为const char*时的特化版本，

那么在比较两个字符串的大小时，比较的是字符串的起始地址的大小，而不是字符串的内容在字典序中的先后次序。

除了定义函数模板特化版本外，还可以直接给出模板函数在特定类型下的重载形式（普通函数）。

使用函数重载可以实现函数模板特化的功能，也可以避免函数模板的特定实例的失效。例如，把上面的模板特化可以改成如下重载函数。

typedef const char* CCP;
CCP Max(CCP s1,CCP s2)
{
return (strcmp(s1,s2)>0)?s1:s2;
}

程序运行结果和使用函数模板特化相同。但是，使用普通函数重载和使用模板特化还是有不同之处，主要表现在如下两个方面：
（1）如果使用普通重载函数，那么不管是否发生实际的函数调用，都会在目标文件中生成该函数的二进制代码。而如果使用模板的特化版本，除非发生函数调用，否则不会在目标文件中包含特化模板函数的二进制代码。这符合函数模板的“惰性实例化”准则。

（2）如果使用普通重载函数，那么在分离编译模式下，需要在各个源文件中包含重载函数的申明，否则在某些源文件中就会使用模板函数，而不是重载函数。

1.3类模板特化
类模板特化类似于函数模板的特化，即类模板参数在某种特定类型下的具体实现。考察如下代码：

// 类模板特化
template<typename T>
class A
{
    T num;
public:
    A()
    {
        num = T(6.6);
    }
    void print()
    {
        cout << "A'num:" << num << endl;
    }
};

template<> 
class A<char*>
{
    char* str;
public:
    A() {
        str = (char*)calloc(1, sizeof("A' special definition "));
        memcpy(str,  "A' special definition ", sizeof("A' special definition "));
    }
    void print() {
        cout << str << endl;
    }
};


int main()
{
    A<int> a1;      //显示模板实参的隐式实例化
    a1.print();
    A<char*> a2;    //使用特化的类模板
    a2.print();

    system("pause");
}

程序输出结果如下：

A'num:6
A' special definition

2.模板偏特化
2.1概述
模板偏特化（Template Partitial Specialization）是模板特化的一种特殊情况，指显示指定部分模板参数而非全部模板参数，或者指定模板参数的部分特性分而非全部特性，也称为模板部分特化。与模板偏特化相对的是模板全特化，指对所有的模板参数进行特化。模板全特化与模板偏特化共同组成模板特化。

模板偏特化主要分为两种，一种是指对部分模板参数进行全特化，另一种是对模板参数特性进行特化，包括将模板参数特化为指针、引用或是另外一个模板类。

2.2函数模板偏特化
假如我们有一个compare函数模板，在比较数值大小时没有问题，如果传入的是数值的地址，我们需要比较两个数值的大小，而非比较传入的地址大小。此时我们需要对compare函数模板进行偏特化。考察如下代码：

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

//函数模板
template<typename T, class N> void compare(T num1, N num2)
{
cout << "standard function template" << endl;
if(num1>num2)
cout << "num1:" << num1 << " > num2:" << num2 <<endl;
else
cout << "num1:" << num1 << " <= num2:" << num2 << endl;
}

//对部分模板参数进行特化
template<class N> void compare(int num1, N num2)
{
cout<< "partitial specialization" <<endl;
if (num1>num2)
cout << "num1:" << num1 << " > num2:" << num2 << endl;
else
cout << "num1:" << num1 << " <= num2:" << num2 << endl;
}

//将模板参数特化为指针
template<typename T, class N> void compare(T* num1, N* num2)
{
cout << "new partitial specialization" << endl;
if (*num1>*num2)
cout << "num1:" << *num1 << " > num2:" << *num2 << endl;
else
cout << "num1:" << *num1 << " <= num2:" << *num2 << endl;
}

//将模板参数特化为另一个模板类
template<typename T, class N> void compare(std::vector<T>& vecLeft, std::vector<T>& vecRight)
{
cout << "to vector partitial specialization" << endl;
if (vecLeft.size()>vecRight.size())
cout << "vecLeft.size()" << vecLeft.size() << " > vecRight.size():" << vecRight.size() << endl;
else
cout << "vecLeft.size()" << vecLeft.size() << " <= vecRight.size():" << vecRight.size() << endl;
}

int main()
{
compare<int,int>(30,31);//调用非特化版本compare<int,int>(int num1, int num2)

compare(30,'1');    //调用偏特化版本compare<char>(int num1, char num2)

int a = 30;
char c = '1';
compare(&a,&c);    //调用偏特化版本compare<int,char>(int* num1, char* num2)

vector<int> vecLeft{0};
vector<int> vecRight{1,2,3};
compare<int,int>(vecLeft,vecRight);    //调用偏特化版本compare<int,char>(int* num1, char* num2)
}

程序输出结果如下：

standard function template
num1:30 <= num2:31
partitial specialization
num1:30 <= num2:1
new partitial specialization
num1:30 <= num2:1
to vector partitial specialization
vecLeft.size()1 <= vecRight.size():3

2.3类模板偏特化
类模板的偏特化与函数模板的偏特化类似。考察如下代码：

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

//类模板
template<typename T, class N> class TestClass
{
public:
static bool comp(T num1, N num2)
{
cout <<"standard class template"<< endl;
return (num1<num2) ? true : false;
}
};

//对部分模板参数进行特化
template<class N> class TestClass<int, N>
{
public:
static bool comp(int num1, N num2)
{
cout << "partitial specialization" << endl;
return (num1<num2) ? true : false;
}
};

//将模板参数特化为指针
template<typename T, class N> class TestClass<T*, N*>
{
public:
static bool comp(T* num1, N* num2)
{
cout << "new partitial specialization" << endl;
return (*num1<*num2) ? true : false;
}
};

//将模板参数特化为另一个模板类
template<typename T, class N> class TestClass<vector<T>,vector<N>>
{
public:
static bool comp(const vector<T>& vecLeft, const vector<N>& vecRight)
{
cout << "to vector partitial specialization" << endl;
return (vecLeft.size()<vecRight.size()) ? true : false;
}
};

int main()
{
//调用非特化版本
cout << TestClass<char, char>::comp('0', '1') << endl;    

//调用部分模板参数特化版本
cout << TestClass<int,char>::comp(30, '1') << endl;

//调用模板参数特化为指针版本
int a = 30;
char c = '1';
cout << TestClass<int*, char*>::comp(&a, &c) << endl;

//调用模板参数特化为另一个模板类版本
vector<int> vecLeft{0};
vector<int> vecRight{1,2,3};
cout << TestClass<vector<int>, vector<int>>::comp(vecLeft,vecRight) << endl;    
}

程序输出结果：

standard class template

partitial specialization

new partitial specialization

to vector partitial specialization

3.模板类调用优先级
对主版本模板类、全特化类、偏特化类的调用优先级从高到低进行排序是：全特化类>偏特化类>主版本模板类。这样的优先级顺序对性能也是最好的。

但是模板特化并不只是为了性能优化，更多是为了让模板函数能够正常工作，最典型的例子就是STL中的iterator_traits。algorithm中大多数算法通过iterator对象来处理数据，但是同时允许以指针代替iterator对象，这是为了支持C-Style Array。如果直接操作iterator，那么为了支持指针类型，每个算法函数都需要进行重载，因为指针没有::value_type类型。为了解决这个问题，STL使用了iterator_traits对iterator特性进行封装，并为指针类型做了偏特化处理，算法通过它来操作iterator，不需要知道实际操作的是iterator对象还是指针。

template<typename IteratorClass> class iterator_traits
...
template<typename ValueType> class iterator_traits<ValueType*>
...
template<typename ValueType> class iterator_traits<ValueType const*>
.
后面两是针对指针类型的偏特化，也是偏特化的一种常见形式。

参考文献
[1]陈刚.C++高级进阶教程[M].武汉：武汉大学出版社，2008.C6.6关于模板特化.P225-P229
[2]C++ Primer中文第5版[M]16.5模板特例化
[3]C++类模板的三种特化，讲得比较全面
[4]C++模板全特化、偏特化
[5]Iterator_traits到底有什么用？

原文：https://blog.csdn.net/k346k346/article/details/82179205