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在C++泛型編程中如何只特化類的一個成員函數

我們知道在C++模板編程中如果我們特化或是偏特化某個模板類，我們需要重寫整個模板類中的所有函數，但是這些代碼通常是非常相似的，甚至在某些情況下可能只有一兩個函數會不一樣，其他函數都是一樣的。在這種情況下，同時存在多份相同的代碼，對我們維護這些代碼是非常不利的，我們最好只需要特化其中不一樣的那個函數。

比如下面這個模板類：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func(){ cout << "primary function" << endl; }
};
void test1()
{
    Base<int, 1> a;
    a.Func();
    Base<int, 16> b;
    b.Func();
}
int main()
{
     test1();
}

只有當B等于16時， Func這個函數需要特化，但是其他函數無論什么情況下都是一樣的。

下面是我們的一些可能解決方案:

方法1:

template<typename T>
struct Base<T, 16>
{
    //other function
    //....
    void Func(){ cout << "specialization function" << endl; }
};

點評：通過偏特化實現，需要重寫所有的類成員方法。

方法2：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func()
    {
        if(B == 16)
        {
            cout << "primary function" << endl;
        }
        else
        {
            cout << "specialization function" << endl;
        }
    }
};

點評: 通過運行時判斷，容易理解，但是相對低效。

方法3：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func()
    {
#if B!=16
            cout << "primary function" << endl;
#else
            cout << "specialization function" << endl;
#endif
    }
};

點評：試圖通過預編譯來實現，但是這個方法是錯誤的。C++模板編譯包括預編譯，語法檢查，模板實例化等階段，在預編譯階段模板參數都還沒有實例化呢。

方法4：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    template<unsigned S>
    struct FuncObj
    {
        void operator()()
        {
            cout<<"primary function"<<endl;
        }
    };
    template<>
    struct FuncObj<16>
    {
        void operator()()
        {
            cout<<"specialization function"<<endl;
        }
    };
    FuncObj<B> Func;
};

點評: 通過成員類以防函數的形式特化，增加了類成員變量。

方法5：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    template<unsigned N>
    void FuncImpl()
    {
        cout<<"primary function"<<endl;
    }
    template<>
    void FuncImpl<16>()
    {
        cout<<"specialization function"<<endl;
    }
    void Func()
    {
        FuncImpl<B>();
    }
};

點評：通過類成員模板函數特化來實現。

方法6：

template<typename T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....
    template<unsigned N>
    class Int2Type
    {
        enum { value = N };
    };
    template<unsigned V>
    void FuncImpl(const Int2Type<V>)
    {
        cout<<"primary function"<<endl;
    }
    void FuncImpl(const Int2Type<16>)
    {
        cout<<"specialization function"<<endl;
    }
    void Func()
    {
        FuncImpl(Int2Type<B>());
    }
};

點評：通過將int根據值的不同轉成不同的類型，然后通過函數重載實現。

方法7：

namespace
{
    template <bool,typename T,typename> struct conditional { typedef T type; };
    template <typename T,typename U> struct conditional<false,T,U> {typedef U type; };
}
template<class T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....

    void Func ()
    {
        typedef typename ::conditional<B!=16,primary_t,spec_t>::type type;
        Func_impl(type());
    }
private:
    struct primary_t { };
    struct spec_t    { };
    void Func_impl (primary_t) { std::cout << "primary function" << std::endl; }
    void Func_impl (spec_t   ) { std::cout << "specialization function" << std::endl; }
};

點評：和方法6類似，通過函數重載實現

方法8：

namespace

{
    template <bool,typename T = void> struct enable_if { typedef T type; };
    template <typename T> struct enable_if<true,T> {};
}
template<class T, unsigned B>
struct Base
{
    //other function
    //....

    template <unsigned N>
    typename ::enable_if<16!=N>::type
        FuncImpl () { std::cout << "primary function" << std::endl; }
    template <unsigned N>
    typename ::enable_if<16==N>::type
        FuncImpl () { std::cout << "specialization function" << std::endl; }
    void Func() {
        FuncImpl<B>();
    }
};

點評：通過enable_if, 利用SFINAE實現。

我們可以看到根據編譯時模板參數int值的不同，我們重寫模板類的某個成員函數的方法是多種多樣的。針對上面這種情況，個人其實最推薦方法2，我們沒必要把簡單的問題復雜化。

下面我們考慮另外一個需求，當模板類的某個參數是某種類型時，我們要求特化其中的一個成員函數:

template<typename T1, typename T2>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func(){ cout << "primary function" << endl; }
};
void test2()
{
    Base<int, int> a;
    a.Func();
    Base<int, string> b;
    b.Func();
}
int main()
{
    test2();
}

要求上面的模板類如果T2 是string類型，我們要求對Func特殊重寫，其他的成員函數無論什么情況實現都是一樣的。

有了上面的那個例子的實現經驗，對這個問題我們解決就方便多了。

方法1：

template<typename T1, typename T2>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func()
    {
        if(typeid(std::string) == typeid(T2))
        {
            cout<<"specialization function"<<endl;
        }
        else
        {
            cout << "primary function" << endl;
        }
    }
};

點評：通過運行時類型識別(RTTI)實現，需要打開相關編譯選項，并且低效。

方法2：

template<typename T1, typename T2>
struct Base
{
    //other function
    //....
    template<typename T>
    void FuncImpl()
    {
        cout << "primary function" << endl;
    }
    template<>
    void FuncImpl<string>()
    {
        cout << "specialization function" << endl;
    }
    void Func()
    {
        FuncImpl<T2>();
    }
};

點評：通過成員函數特化實現

方法3：

template<typename T1, typename T2>
struct Base
{
    //other function
    //....
    template<typename T>
    class Type2Type
    {
        typedef T type;
    };
    template<typename T>
    void FunImpl(const Type2Type<T>)
    {
        cout << "primary function" << endl;
    }
    template<typename T>
    void FunImpl(const Type2Type<string>)
    {
        cout << "specialization function" << endl;
    }
    void Func()
    {
        FunImpl<T2>(Type2Type<T2>());
    }
};

點評：通過函數重載實現

方法4：

template<typename T>
struct IsString
{
    enum { value = false };
};
template<>
struct IsString<string>
{
    enum { value = true };
};
template<typename T1, typename T2>
struct Base
{
    //other function
    //....
    void Func()
    {
        if(IsString<T2>::value)
        {
            cout << "specialization function" << endl;
        }
        else
        {
            cout << "primary function" << endl;
        }
    }
};

點評：通過編譯時類型判斷實現。

方法5：

template<typename T3,  typename T4>
struct must_be_same_type
{
    enum { ret = 0 };
};
template<>
struct must_be_same_type<string, string>
{
    enum { ret = 1 };
};
template < typename T1,typename T2 >
class Base{
public:
    //other function
    //....
    void Func(){
        if(must_be_same_type<T2, string>::ret)
        {
            cout << "specialization function" << endl;
        }
        else
        {
            cout << "primary function" << endl;
        }
    }
};

點評：和方法4類似，是不過實現方式不一樣。

最后，探討下我自己遇到的問題，我們在寫一個事件委托(delegate)類，大概如下：

template<typename return_type, typename first_type, typename second_type>
class CEvent
{
public:
    //other function
    //....
    return_type operator()(first_type p1, second_type p2)
    {
        return_type ret = return_type();
        //...
        //ret = invoker(p1, p2);
        return ret;
    }
};
void test3()
{
    CEvent<int, int, int> e1;
    e1(1, 2);
    CEvent<void, int, int> e2;
    e2(1, 2);
}
int main()
{
    test3();
}

我們可以看到，當return_type是void時，因為沒有返回值，上面的代碼會編譯失敗，因此我們只能偏特化這種情況：

template<typename first_type, typename second_type>
class CEvent<void, first_type, second_type>
{
public:
    //other function
    //....
    void operator()(first_type p1, second_type p2)
    {
        //...
        //invoker(p1, p2);
        return;
    }
};

但是，我們會發現只有這個operator()函數是需要根據return_type特殊對待的，其他函數永遠都是一樣的。

我們現在的問題就是如何只特化這個函數。

首先我們會想到如下的實現方法：

template<typename T>
struct IsVoid
{
    enum { value = false };
};
template<>
struct IsVoid<void>
{
    enum { value = true };
};
template<typename return_type, typename first_type, typename second_type>
class CEvent
{
public:
    other function
    ....
    return_type operator()(first_type p1, second_type p2)
    {
        if(IsVoid<return_type>::value)
        {
            cout << "return type is void" << endl;
            //...
            //invoker(p1, p2);
        }
        else
        {
            cout << "return type is not void" << endl;
            return_type ret = return_type();
            //...
            //ret = invoker(p1, p2);
            return ret;
        }
    }
};

但是我們很快會發現這種情況下if語句被編譯進去了，所以return_type是void的情況下還是會編譯失敗。

我們要解決的問題就是如何把這個if語句變成函數重載，于是我們想到如下實現：

template<typename T>
struct IsVoid
{
    enum { value = false };
};
template<>
struct IsVoid<void>
{
    enum { value = true };
};
template<int v>
class Int2Type
{
    enum {value = v };
};
template<typename return_type, typename first_type, typename second_type>
class CEvent
{
public:
    //other function
    //....
    return_type InvokerImpl(first_type p1, second_type p2, Int2Type<true>)
    {
        cout << "return type is void" << endl;
        //...
        //invoker(p1, p2);
    }
    return_type InvokerImpl(first_type p1, second_type p2, Int2Type<false>)
    {
        cout << "return type is not void" << endl;
        return_type ret = return_type();
        //...
        //ret = invoker(p1, p2);
        return ret;
    }
    return_type operator()(first_type p1, second_type p2)
    {
        return InvokerImpl(p1, p2, Int2Type<IsVoid<return_type>::value>());
    }
};

上面的實現首先通過編譯時類型識別，然后再把識別后相應的bool值轉成不同類型，最后再利用不同類型函數重載實現。

最后總結下，我們可以看到，從編譯時到運行時，從面向對象到普通泛型編程再到模板元編程，C++復雜得讓人無語，也強大得讓人無語，而且C++語言本身是在不斷發展的(C++11)，同一問題在C++中往往有多種解決方案，這些解決方案有的簡單，有的復雜，有的高效，也有的低效，而我們的目標就是利用C++這把利器尋找簡單而高效的解決方案。

注：本人初學C++ templates編程，如有錯誤，歡迎指正。

參考資料：http://bbs.csdn.net/topics/390116038

http://bbs.csdn.net/topics/270041821

posted on 2013-02-14 20:31 Richard Wei 閱讀(5380) 評論(10) 編輯收藏引用所屬分類: STL&GP

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