C++模板专门化与重载

　　最近在复习C++有关知识，又重新看<<Effective C++>>，收获颇丰。原来以前看这边书，好多地方都是浅尝辄止。<<Effective C++>>条款25：考虑写出一个不抛出异常的swap函数，涉及到C++模板专门化(Templates Specialization)和函数重载(overloading)问题，而当重载与模板搅合在一起时，许多问题都变得“模棱两可”。

　　首先回顾<<Effective C++>>条款25：考虑写出一个不抛出异常的swap函数，想告诉我们什么东西。

　　swap函数为我们提供了异常安全编程的方法，以及用来作为处理自我赋值一种常见机制，因此实现一个不抛出异常的swap函数，变得相对重要起来。缺省情况下的swap函数的典型实现如下：

namespace std
{
  template<typename T>
  void swap(T& a, T& b)
  {
       T temp(a);
       a = b;
       b = temp;  
  }        
}

　　然后，对于模型数据类型其成员变量是指针，指向一个对象，保存了数据(pointer to implementation手法)。如果copying函数采用了deep copying方法，上面的代码将会非常低效，因为，只需要互换a与b指针即可。问题是，缺省版本swap对类型无法可知这些信息，因此针对上述情况，需要专门化swap函数。

　　1）如果T是class，可以先让T提供一个swap函数，完成swap功能，然后借由functhon template的全特化，实现专门化的swap函数：

class Widge
{
public:
    void swap(Wiget& other)
　　{
　　　　using std::swap();
　　　　swap(pImpl, other.pImpl);
　　}

private:

    WidetImpl* pImpl;
};

 //为程序提供一个特化版本的swap: 

namespace std 
{ 
　　template<> 
　　void swap<Widegt>(Widget& a, Widget& b) 
　　{ a.swap(b); 
　　}
 }

　　上面的代码很好的与STL容器保持了一致性，因为STL容器也都提供了swap成员函数和std::swap特化版本。

　　2）如果Widget与WidgetImpl不是class，而是class template，特化版本的swap函数，我们可能想写成这样的形式：

namespace std
{
    template<class T>
    void swap<Widegt<T>>(Widget<T>& a, Widget<T>& b)   
    {
        a.swap(b);
    }
}

　　然而这个代码却无法通过编译，C++不支持function template的偏特化，我们需要使用模板函数的重载技术：

namespace std
{
    template<class T>
    void swap( Widget<T>& a, Widget<T>& b)   //重载了function templates
    {
        a.swap(b);
    }
}

　　问题似乎已经解决了，嗯，是的，还存在一个问题：用户可以全特化std内的templates，但是不能新的对象(template、function、class)。解决方法是将这些类与swap函数放到新的命名空间中，这边便独立与std命名空间。

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　　上面介绍的内容，涉及到以下的内容：1）模板函数；2）重载函数；3）全特化和偏特化。当这些东西交织在一起的时候，我们需要足够的耐心做区分甄别。

　　1）模板类、模板函数与重载

　　// Example 1: Class vs. function template, and overloading 
　　//
　　// A class template
　　template<typename T> class X { /*...*/ };           // (a) 类模板

　　// A function template with two overloads
　　template<typename T> void f( T );                  // (b) 函数模板 
　　template<typename T> void f( int, T, double );     // (c)  函数模板重载

　　(a)、(b)、(c)均没有专门化，这些未被专门化的template又被称为基础基模板。

　　2）特化

　　template class可以有全特化与偏特化两种， template function仅能全特化。

// Example 1, continued: Specializing templates 
//
// A partial specialization of (a) for pointer types 
template<typename T> class X<T*> { /*...*/ };        

// A full specialization of (a) for int 
template<> class X<int> { /*...*/ };

// A separate base template that overloads (b) and (c) 
// -- NOT a partial specialization of (b), because 
// there's no such thing as a partial specialization 
// of a function template! 
template<class T> void f( T* );             // (d)

// A full specialization of (b) for int 
template<> void f<int>( int );              // (e)

// A plain old function that happens to overload with 
// (b), (c), and (d) -- but not (e), which we'll 
// discuss in a moment 
void f( double );                           // (f)

　　当function template与重载搅合在一起的时候，就存在匹配哪个版本函数的问题，匹配规则如下：

　　1）首先查找non template function ，如果在这些函数中匹配成功，则匹配结束(first-class citizens)

　　2）否定，在base template function 中查找最匹配的函数，并实例化，如果base template function恰巧有提供全特化版本模板函数，则使用全特化版本(sencond-class citizens)

 将以上两个规则运用的例子：

// Example 1, continued: Overload resolution 
// 
bool b; 
int i; 
double d;

f( b );        // calls (b) with T = bool 
f( i, 42, d ); // calls (c) with T = int 
f( &i );       // calls (d) with T = int 
f( i );        // calls (e) 
f( d );        // calls (f)

　　最后一个问题：如何判断哪个base template function被specialization，再看下面的例子:

// Example 2: Explicit specialization 
// 
template<class T> // (a) a base template 
void f( T );

template<class T> // (b) a second base template, overloads (a) 
void f( T* );     //     (function templates can't be partially 
                  //     specialized; they overload instead)

template<>        // (c) explicit specialization of (b) 
void f<>(int*);

// ...

int *p; 
f( p );           // calls (c)

　　c是b是全特化，f(p)将会调用，符合人们的一般想法，但是，如果置换b与c的顺序，结果就不那么一样了：

// Example 3: The Dimov/Abrahams Example 
// 
template<class T> // (a) same old base template as before 
void f( T );

template<>        // (c) explicit specialization, this time of (a)
void f<>(int*);

template<class T> // (b) a second base template, overloads (a) 
void f( T* );

// ...

int *p; 
f( p );           // calls (b)! overload resolution ignores 
                  // specializations and operates on the base 
                  // function templates only

　　这个时候，c将是a的全特化(编译器没看到后面的b的定义)。按照配对规则，首先查找base template function最适合匹配的，b正好最为匹配，并且没有全特化版本，因此将会调用b。

　　重要准则：

　　1）如果我们希望客户化base template function，直接利用传统的函数形式，如果使用重载形式，那么请不要提供全特化版本。

　　2）如果正在编写一个base template function，不要提供特化和重载版本，将客户化定制功能下放给用户。实现方法是，在class template 同static 函数接口：

// Example 4: Illustrating Moral #2 
// 
template<class T> 
struct FImpl;

template<class T> 
void f( T t ) { FImpl<T>::f( t ); } // users, don't touch this!

template<class T> 
struct FImpl 
{ 
  static void f( T t ); // users, go ahead and specialize this 
};

　　准则2的动机就是利用class template 特化与偏特化功能实现function 特化与偏特化功能。

 

参考文献：

<<Effective C++>>, Scott Meyers

<<Why Not Specialize Function Templates?>>,  C/C++ Users Journal, 19(7), July 2001