Специализация шаблонов является одной из «сложных» фичей языка с++ и использутся в основном при создании библиотек. К сожалению, некоторые особенности специализации шаблонов не очень хорошо раскрыты в популярных книгах по этому языку. Более того, даже 53 страницы официального ISO стандарта языка, посвященные шаблонам, описывают интересные детали сумбурно, оставляя многое на «догадайтесь сами - это же очевидно». Под катом я постарался ясно изложить базовые принципы специализации шаблонов и показать как эти принципы можно использовать в построении магических заклинаний.

Hello World

Template<> class A< int > {}; // здесь int - это аргумент шаблона
Готово, можно писать методы и поля специальной реализации для int. Такая специализация обычно называется полной (full specialization или explicit specialization). Для большинства практических задач большего не требуется. А если требуется, то…

Специализированный шаблон - это новый шаблон

Специализированный шаблон может иметь свои параметры шаблона

Template< typename S, typename U > class A< int > {};
Правда, именно такой код компилятор не скомпилирует - новые параметры шаблона S и U мы никак не используем, что для специализированного шаблонного класса запрещено (а то что это класс специализированный компилятор понимает потому, что у него такое же имя "A" как у уже объявленного шаблонного класса). Компилятор даже специальную ошибку скажет: «explicit specialization is using partial specialization syntax, use template<> instead». Намекает, что если сказать нечего - то надо использовать template<> и не выпендриваться. Тогда для чего же в специализированном шаблонном классе можно использовать новые параметры? Ответ странный - для того, чтобы задать аргументы специализации (аргументы - это то, что после имени класса в угловых скобках). То есть специализируя шаблонный класс мы можем вместо простого и понятного int специализировать его через новые параметры :

Template< typename S, typename U > class A< std::map< S, U > > {};
Такая странная запись скомпилируется. И при использовании получившегося шаблонного класса с std::map будет использована специализация, где тип ключа std::map будет доступен как параметр нового шаблона S, а тип значения std::map как U.

Такая специализация шаблона, при которой задается новый список параметров и через эти параметры задаются аргументы для специализации называется частичной специализацией (partial specialization). Почему «частичной»? Видимо потому, что изначально задумывалась как синтаксис для специализации шаблона не по всем аргументам. Пример, где шаблонный класс с двумя параметрами специализируется только по одному из них (специализация будет работать когда первый аргумент, T, будет указан как int. При этом второй аргумент может быть любым - для этого в частичной специализации введен новый параметр U и указан в списке аргументов для специализации):

Template< typename T, typename S > class B {}; template< typename U > class B< int, U > {};

Магические последствия частичной специализации

Template< typename S, typename U > class A< S(*)(U) > {};
А если в специализированном шаблоне объявить typedef или static const int (пользуясь тем, что это новый шаблон), то можно использовать его для извлечения нужной информации из типа. Например, мы используем шаблонный класс для хранения объектов и хотим получить размер переданного объекта или 0, если это указатель. В две строчки:

Template< typename T > struct Get { const static int Size = sizeof(T); }; template< typename S > struct Get< S* > { const static int Size = 0; }; Get< int >::Size // например, 4 Get< int* >::Size // 0 - нашли указатель:)
Магия этого типа используется в основном в библиотеках: stl, boost, loki и так далее. Конечно, при высокоуровневом программировании использовать такие фокусы череповато - думаю, все помнят конструкцию для получения размера массива:). Но в библиотеках частичная специализация позволяет относительно просто реализовывать делегаты, события, сложные контейнеры и прочие иногда очень нужные и полезные вещи.

Коллеги, если найдете ошибку (а я, к сожалению, не гуру - могу ошибаться) или у Вас есть критика, вопросы али дополнения к вышеизложенному - буду рад комментариям.

Update: Обещанное продолжение

Мы уже ранее рассматривали в С++ такой инструмент, как шаблоны, когда создавали . Почему стоит пользоваться шаблонами, было написано в статье, с шаблонами функций. Там мы рассмотрели основные положения шаблонов в С++. Давайте их вспомним.

Любой шаблон начинается со слова template , будь то шаблон функции или шаблон класса. После ключевого слова template идут угловые скобки — < > , в которых перечисляется список параметров шаблона. Каждому параметру должно предшествовать зарезервированное слово class или typename . Отсутствие этих ключевых слов будет расцениваться компилятором как . Некоторые примеры объявления шаблонов:

Template

Template

Template

Ключевое слово typename говорит о том, что в шаблоне будет использоваться встроенный тип данных, такой как: int , double , float , char и т. д. А ключевое слово class сообщает компилятору, что в шаблоне функции в качестве параметра будут использоваться пользовательские типы данных, то есть классы. Но не в коем случае не путайте параметр шаблона и шаблон класса. Если нам надо создать шаблон класса, с одним параметром типа int и char , шаблон класса будет выглядеть так:

Template

где T — это параметр шаблона класса, который может принимать любой из встроенных типов данных, то, что нам и нужно.

А если параметр шаблона класса должен пользовательского типа, например типа Array , где Array — это класс, описывающий массив, шаблон класса будет иметь следующий вид:

Template class Name { //тело шаблона класса };

C этим вам лучше разобраться изначально, чтобы потом не возникало никаких ошибок, даже, если шаблон класса написан правильно.

Давайте создадим шаблон класса Стек, где , в которой хранятся однотипные элементы данных. В стек можно помещать и извлекать данные. Добавляемый элемент в стек, помещается в вершину стека. Удаляются элементы стека, начиная с его вершины. В шаблоне класса Stack необходимо создать основные методы:

• Push — добавить элемент в стек;
• Pop — удалить элемент из стека
• printStack — вывод стека на экран;

Итак реализуем эти три метода, в итоге получим самый простой класс, реализующий работу структуры стек. Не забываем про конструкторы и деструкторы. Смотрим код ниже.

#include "stdafx.h" #include template << "Заталкиваем элементы в стек: "; int ct = 0; while (ct++ != 5) { int temp; cin >> << "\nУдаляем два элемента из стека:\n"; myStack.pop(); // удаляем элемент из стека myStack.pop(); // удаляем элемент из стека myStack.printStack(); // вывод стека на экран return 0; } // конструктор template Stack::Stack(int s) { size = s > Stack bool Stack bool Stack void Stack::printStack() { for (int ix = size -1; ix >= 0; ix--) cout << "|" << setw(4) << stackPtr << endl; }

// код Code::Blocks

// код Dev-C++

#include using namespace std; #include template class Stack { private: T *stackPtr; // указатель на стек int size; // размер стека T top; // вершина стека public: Stack(int = 10);// по умолчанию размер стека равен 10 элементам ~Stack(); // деструктор bool push(const T); // поместить элемент в стек bool pop(); // удалить из стека элемент void printStack(); }; int main() { Stack myStack(5); // заполняем стек cout << "Заталкиваем элементы в стек: "; int ct = 0; while (ct++ != 5) { int temp; cin >> temp; myStack.push(temp); } myStack.printStack(); // вывод стека на экран cout << "\nУдаляем два элемента из стека:\n"; myStack.pop(); // удаляем элемент из стека myStack.pop(); // удаляем элемент из стека myStack.printStack(); // вывод стека на экран return 0; } // конструктор template Stack::Stack(int s) { size = s > 0 ? s: 10; // инициализировать размер стека stackPtr = new T; // выделить память под стек top = -1; // значение -1 говорит о том, что стек пуст } // деструктор template Stack::~Stack() { delete stackPtr; // удаляем стек } // элемент функция класса Stack для помещения элемента в стек // возвращаемое значение - true, операция успешно завершена // false, элемент в стек не добавлен template bool Stack::push(const T value) { if (top == size - 1) return false; // стек полон top++; stackPtr = value; // помещаем элемент в стек return true; // успешное выполнение операции } // элемент функция класса Stack для удаления элемента из стек // возвращаемое значение - true, операция успешно завершена // false, стек пуст template bool Stack::pop() { if (top == - 1) return false; // стек пуст stackPtr = 0; // удаляем элемент из стека top--; return true; // успешное выполнение операции } // вывод стека на экран template void Stack::printStack() { for (int ix = size -1; ix >= 0; ix--) cout << "|" << setw(4) << stackPtr << endl; }

Как видите шаблон класса Stack объявлен и определен в файле с main -функцией. Конечно же такой способ утилизации шаблонов никуда не годится, но для примера сойдет. В строках 7 — 20 объявлен интерфейс шаблона класса. Объявление класса выполняется привычным для нас образом, а перед классом находится объявление шаблона, в строке 7. При объявлении шаблона класса, всегда используйте такой синтаксис.

Строки 47 — 100 содержат элемент-функции шаблона класса Stack, причем перед каждой функцией необходимо объявлять шаблон, точно такой же, как и перед классом — template . То есть получается, элемент-функции шаблона класса, объявляются точно также, как и обычные шаблоны функций. Если бы мы описали реализацию методов внутри класса, то заголовок шаблона — template для каждой функции прописывать не надо.

Чтобы привязать каждую элемент-функцию к шаблону класса, как обычно используем бинарную операцию разрешения области действия — :: с именем шаблона класса — Stack . Что мы и сделали в строках 49, 58, 68, 83, 96.

Обратите внимание на объявление объекта myStack шаблона класса Stack в функции main , строка 24. В угловых скобочка необходимо явно указывать используемый тип данных, в шаблонах функций этого делать не нужно было. Далее в main запускаются некоторые функции, которые демонстрируют работу шаблона класса Stack . Результат работы программы смотрим ниже.

Заталкиваем элементы в стек: 12 3456 768 5 4564 |4564 | 5 | 768 |3456 | 12 Удаляем два элемента из стека: | 0 | 0 | 768 |3456 | 12

При создании функций иногда возникают ситуации, когда две функции выполняют одинаковую обработку, но работают с разными типами данных (например, одна использует параметры типа int, а другая типа float). Вы уже знаете из урока 13, что с помощью механизма перегрузки функций можно использовать одно и то же имя для функций, выполняющих разные действия и имеющих разные типы параметров. Однако, если функции возвращают значения разных типов, вам следует использовать для них уникальные имена (см. примечание к уроку 13). Предположим, например, что у вас есть функция с именем тах, которая возвращает максимальное из двух целых значений. Если позже вам потребуется подобная функция, которая возвращает максимальное из двух значений с плавающей точкой, вам следует определить другую функцию, например fmax. Из этого урока вы узнаете, как использовать шаблоны C++ для быстрого создания функций, возвращающих значения разных типов. К концу данного урока вы освоите следующие основные концепции:

• Шаблон определяет набор операторов, с помощью которых ваши программы позже могут создать несколько функций.
• Программы часто используют шаблоны функций для быстрого определения нескольких функций, которые с помощью одинаковых операторов работают с параметрами разных типов или имеют разные типы возвращаемых значений.
• Шаблоны функций имеют специфичные имена, которые соответствуют имени функции, используемому вами в программе.
• После того как ваша программа определила шаблон функции, она в дальнейшем может создать конкретную функцию, используя этот шаблон для задания прототипа, который включает имя данного шаблона, возвращаемое функцией значение и типы параметров.
• В процессе компиляции компилятор C++ будет создавать в вашей программе функции с использованием типов, указанных в прототипах функций, которые ссылаются на имя шаблона.

Шаблоны функций имеют уникальный синтаксис, который может быть на первый взгляд непонятен. Однако после создания одного или двух шаблонов вы обнаружите, что реально их очень легко использовать.

СОЗДАНИЕ ПРОСТОГО ШАБЛОНА ФУНКЦИИ

Шаблон функции определяет типонезависимую функцию. С помощью такого шаблона ваши программы в дальнейшем могут определить конкретные функции с требуемыми типами. Например, ниже определен шаблон для функции с именем тах, которая возвращает большее из двух значений:

template Т mах(Т а, Т b)

{
if (а > b) return(а);
else return(b);
}

Буква T данном случае представляет собой общий тип шаблона. После определения шаблона внутри вашей программы вы объявляете прототипы функций для каждого требуемого вам типа. В случае шаблона тах следующие прототипы создают функции типа float и int.

float max(float, float);
int max(int, int);

Когда компилятор C++ встретит эти прототипы, то при построении функции он заменит тип шаблона T указанным вами типом. В случае с типом float функция тах после замены примет следующий вид:

template Т max(Т а, Т b)

{
if (a > b) return(а) ;
else return(b);
}

float max(float a, float b)

{
if (a > b) return(a) ;
else return(b);
}

Следующая программа МАХ_ТЕМР.СРР использует шаблон тах для создания функции типа int и float.

#include

template Т mах(Т а, Т b)

{
if (a > b) return(a);
else return(b);
}

float max(float, float);

int max(int, int);

{
cout << «Максимум 100 и 200 равен » << max(100, 200) << endl;
cout << «Максимум 5.4321 и 1.2345 равен » << max(5.4321, 1.2345) << endl;
}

В процессе компиляции компилятор C++ автоматически создает операторы для построения одной функции, работающей с типом int, и второй функции, работающей с типом float. Поскольку компилятор C++ управляет операторами, соответствующими функциям, которые вы создаете с помощью шаблонов, он позволяет вам использовать одинаковые имена для функций, которые возвращают значения разных типов. Вы не смогли бы это сделать, используя только перегрузкуфункций, как обсуждалось в уроке 13.

Использование шаблонов функций

По мере того как ваши программы становятся более сложными, возможны ситуации, когда вам потребуются подобные функции, выполняющие одни и те же операции, но с разными типами данных. Шаблон функции позволяет вашим программам определять общую, или типонезависимую, функцию. Когда программе требуется использовать функцию для определенного типа, например int или float, она указывает прототип функции, который использует имя шаблона функции и типы возвращаемого значения и параметров. В процессе компиляции C++ создаст соответствующую функцию. Создавая шаблоны, вы уменьшаете количество функций, которые должны кодировать самостоятельно, а ваши программы могут использовать одно и то же имя для функций,выполняющих определенную операцию, независимо от возвращаемого функцией значения и типов параметров.

ШАБЛОНЫ, КОТОРЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТ НЕСКОЛЬКО ТИПОВ

Предыдущее определение шаблона для функции max использовало единственный общий тип Т. Очень часто в шаблоне функции требуется указать несколько типов. Например, следующие операторы создают шаблон для функции show_array, которая выводит элементы массива. Шаблон использует тип Т для определения типа массива и тип Т1 для указания типа параметра count:

template

{
T1 index;
for (index =0; index < count; index++) cout << array << ‘ ‘;
cout << endl;
}

Как и ранее, программа должна указать прототипы функций для требуемых типов:

void show_array(int *, int);
void show_array(float *, unsigned);

Следующая программа SHOW_TEM.CPP использует шаблон для создания функций, которые выводят массивы типа int и типа float.

#include

template void show_array(T *array,T1 count)

{
T1 index;
for (index =0; index < count; index++) cout << array “ ‘ ‘;
cout << endl;
}

void show_array(int *, int);

void show_array(float *, unsigned);

{
int pages = { 100, 200, 300, 400, 500 };
float pricesH = { 10.05, 20.10, 30.15 };
show_array(pages, 5);
show_array(prices, 3);
}

Шаблоны и несколько типов

По мере того как шаблоны функций становятся более сложными, они могут обеспечить поддержку нескольких типов. Например, ваша программа может создать шаблон для функции с именем array_sort, которая сортирует элементы массива. В данном случае функция может использовать два параметра: первый, соответствующий массиву, и второй, соответствующий количеству элементов массива. Если программа предполагает, что массив никогда не будет содержать более 32767 значений она может использовать тип int для параметра размера массива. Однако более универсальный шаблон мог бы предоставить программе возможность указать свой собственный тип этого параметра, как показано ниже:

template void array_sort(T array, T1 elements)

{
// операторы
}

С помощью шаблона array_sort программа может создать функции которые сортируют маленькие массивы типа float (менее 128 элементов) и очень большие массивы типа int, используя следующие прототипы:

void array_sort(float, char);
void array_sort(int, long);

ЧТО ВАМ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Как вы уже знаете, использование шаблонов функций уменьшает объем программирования, позволяя компилятору C++ генерировать операторы для функций, которые отличаются только типами возвращаемых значений и параметров. Из урока 30 вы узнаете, как использовать шаблоны для создания типонезависимых, или общих, классов. До изучения урока 30 убедитесь, что вы освоили следующие основные концепции:

1. Шаблоны функций позволяют вам объявлять типонезависимые, или общие, функции.
2. Когда вашей программе требуется использовать функцию с определенными типами данных, она должна указать прототип функции, который определяет требуемые типы.
3. Когда компилятор C++ встретит такой прототип функции, он создаст операторы, соответствующие этой функции, подставляя требуемые типы.
4. Ваши программы должны создавать шаблоны для общих функций, которые работают с отличающимися типами. Другими словами, если вы используете с какой-либо функцией только один тип, нет необходимости применять шаблон.
5. Если функция требует несколько типов, шаблон просто назначает каждому типу уникальный идентификатор, например Т, T1 и Т2. Позже в процессе компиляции компилятор C++ корректно назначит типы, указанные вами в прототипе функции.

Вы можете создать прототип шаблона функции в виде его предварительного объявления. Такое объявление информирует компилятор о наличии шаблона, а также сообщает об ожидаемых параметрах. Например, прототип шаблона функции Sort будет выглядеть так:

template void Sort(T array, Tsize size);

Имена формальных параметров шаблона могут не совпадать в предварительном объявлении и определении шаблона. Так, например, в следующем фрагменте и прототип шаблона, и определение шаблона относятся к одной и той же функции:

template T max(T, T);

template

Type max(Type a, Type b)

if (a > b) return a; else return b;

Использование шаблона функции

Шаблон функции описывает, как конкретная функция может быть построена на основании одного или нескольких фактических типов. Компилятор автоматически создает представитель тела функции для указанных в вызове типов. Такой процесс называется конкретизацией . Он происходит при вызове шаблонной функции.

Например, в следующем примере функция min() конкретизируется дважды: один раз типом int и один раз типом double:

template

Type min(Type a, Type b)

if (a < b) return a; else return b;

int x = 4, y = 5, z;

double t = 6.56, r = 3.07, p;

Специализация шаблонов функции

Специализированная функция шаблона – это обычная функция, имя которой совпадает с именем функции в шаблоне, но которая определяется для параметров специфических типов. Специализированные функции шаблона определяют в том случае, когда обобщенный шаблон не годится для некоторого типа данных. Например, функция шаблона min

template

Type min(Type a, Type b)

if (a < b) return a; else return b;

не может применяться для строк (для типа char*) , так как генерируемый компилятором код будет просто сравнивать их положение в памяти (адреса). Для корректного сравнения строк можно определить специализированную функцию:

char* min(char* s1, char* s2)

if (strcmp(s1,s2)>0) return s2; else return s1;

Тогда обращаться к такой функции можно так же, как и к функции шаблона:

int i1 = 3, i2 = 5;

cout << “max int = ” << max(i1, i2) << endl;

char* s1 = “Golden Eagle”;

char* s2 = “Perigrine Falcon”;

cout << “max str = “ << max(s1, s2) << endl;

Шаблоны классов

Шаблон класса дает обобщенное определение семейства классов, использующее произвольные типы или константы. Шаблон определяет данные-члены шаблона и функции-члены шаблона . После определения шаблона класса можно предписать компилятору генерировать на его основе новый класс для конкретного типа или константы.

Синтаксис шаблона класса

template <<список аргументов шаблона>>

class <имя класса>

<тело класса>

За ключевым словом template следуют один или несколько аргументов (параметров), заключенных в угловые скобки и отделяемых друг от друга запятыми. Каждый аргумент может представлять собой ключевое слово class, за которым следует идентификатор, обозначающий параметризованный тип. Список аргументов шаблона не может быть пустым.

Затем следует определение класса. Оно аналогично определению обычного класса, за исключением того, что использует список аргументов шаблона.

Параметры шаблона, состоящие из ключевого слова class и следующего за ним идентификатора, часто называют параметрами типа . Другими словами, они информируют компилятор, что шаблон предполагает тип в качестве аргумента.