C++ 模板的显示具体化

C++ 没有办法限制类型参数的范围，我们可以使用任意一种类型来实例化模板。但是模板中的语句（函数体或者类体）不一定就能适应所有的类型，可能会有个别的类型没有意义，或者会导致语法错误。


例如有下面的函数模板，它用来获取两个变量中较大的一个：
template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b){
    return a > b ? a : b;
}
请读者注意a > b这条语句，>能够用来比较 int、float、char 等基本类型数据的大小，但是却不能用来比较结构体变量、对象以及数组的大小，因为我们并没有针对结构体、类和数组重载>。


另外，该函数模板虽然可以用于指针，但比较的是地址大小，而不是指针指向的数据，所以也没有现实的意义。


除了>，+-*/==<等运算符也只能用于基本类型，不能用于结构体、类、数组等复杂类型。总之，编写的函数模板很可能无法处理某些类型，我们必须对这些类型进行单独处理。


模板是一种泛型技术，它能接受的类型是宽泛的、没有限制的，并且对这些类型使用的算法都是一样的（函数体或类体一样）。但是现在我们希望改变这种“游戏规则”，让模板能够针对某种具体的类型使用不同的算法（函数体或类体不同），这在 C++ 中是可以做到的，这种技术称为模板的显示具体化（Explicit Specialization）。


函数模板和类模板都可以显示具体化，下面我们先讲解函数模板的显示具体化，再讲解类模板的显示具体化。
函数模板的显示具体化


在讲解函数模板的显示具体化语法之前，我们先来看一个显示具体化的例子：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
typedef struct{
    string name;
    int age;
    float score;
} STU;
//函数模板
template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b);
//函数模板的显示具体化（针对STU类型的显示具体化）
template<> const STU& Max<STU>(const STU& a, const STU& b);
//重载<<
ostream & operator<<(ostream &out, const STU &stu);
int main(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    cout<<Max(a, b)<<endl;
   
    STU stu1 = { "王明", 16, 95.5};
    STU stu2 = { "徐亮", 17, 90.0};
    cout<<Max(stu1, stu2)<<endl;
    return 0;
}
template<class T> const T& Max(const T& a, const T& b){
    return a > b ? a : b;
}
template<> const STU& Max<STU>(const STU& a, const STU& b){
    return a.score > b.score ? a : b;
}
ostream & operator<<(ostream &out, const STU &stu){
    out<<stu.name<<" , "<<stu.age <<" , "<<stu.score;
    return out;
}
运行结果：
20
王明 , 16 , 95.5


本例中，STU 结构体用来表示一名学生(Student)，它有三个成员，分别是姓名(name)、年龄(age)、成绩(score)；Max() 函数用来获取两份数据中较大的一份。


要想获取两份数据中较大的一份，必然会涉及到对两份数据的比较。对于 int、float、char 等基本类型的数据，直接比较它们本身的值即可，而对于 STU 类型的数据，直接比较它们本身的值不但会有语法错误，而且毫无意义，这就要求我们设计一套不同的比较方案，从语法和逻辑上都能行得通，所以本例中我们比较的是两名学生的成绩（score）。


不同的比较方案最终导致了算法（函数体）的不同，我们不得不借助模板的显示具体化技术对 STU 类型进行单独处理。第 14 行代码就是显示具体化的声明，第 34 行代码进行了定义。


请读者注意第 34 行代码，Max<STU>中的STU表明了要将类型参数 T 具体化为 STU 类型，原来使用 T 的位置都应该使用 STU 替换，包括返回值类型、形参类型、局部变量的类型。


Max 只有一个类型参数 T，并且已经被具体化为 STU 了，这样整个模板就不再有类型参数了，类型参数列表也就为空了，所以模板头应该写作template<>。


另外，Max<STU>中的STU是可选的，因为函数的形参已经表明，这是 STU 类型的一个具体化，编译器能够逆推出 T 的具体类型。简写后的函数声明为：
template<> const STU& Max(const STU& a, const STU& b);
函数的调用规则


回顾一下前面学习到的知识，在 C++ 中，对于给定的函数名，可以有非模板函数、模板函数、显示具体化模板函数以及它们的重载版本，在调用函数时，显示具体化优先于常规模板，而非模板函数优先于显示具体化和常规模板。
类模板的显示具体化


除了函数模板，类模板也可以显示具体化，并且它们的语法是类似的。


在《C++类模板》一节中我们定义了一个 Point 类，用来输出不同类型的坐标。在输出结果中，横坐标 x 和纵坐标 y 是以逗号,为分隔的，但是由于个人审美的不同，我希望当 x 和 y 都是字符串时以|为分隔，是数字或者其中一个是数字时才以逗号,为分隔。为了满足我这种奇葩的要求，可以使用显示具体化技术对字符串类型的坐标做特殊处理。


下面的例子演示了如何对 Point 类进行显示具体化：
#include <iostream>
using namespace std;
//类模板
template<class T1, class T2> class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const{ return m_x; }
    void setX(T1 x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    T1 m_x;
    T2 m_y;
};
template<class T1, class T2>  //这里要带上模板头
void Point<T1, T2>::display() const{
    cout<<"x="<<m_x<<", y="<<m_y<<endl;
}
//类模板的显示具体化（针对字符串类型的显示具体化）
template<> class Point<char*, char*>{
public:
    Point(char *x, char *y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    char *getX() const{ return m_x; }
    void setX(char *x){ m_x = x; }
    char *getY() const{ return m_y; }
    void setY(char *y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    char *m_x;  //x坐标
    char *m_y;  //y坐标
};
//这里不能带模板头template<>
void Point<char*, char*>::display() const{
    cout<<"x="<<m_x<<" | y="<<m_y<<endl;
}
int main(){
    ( new Point<int, int>(10, 20) ) -> display();
    ( new Point<int, char*>(10, "东京180度") ) -> display();
    ( new Point<char*, char*>("东京180度", "北纬210度") ) -> display();
    return 0;
}
运行结果：
x=10, y=20
x=10, y=东京180度
x=东京180度 | y=北纬210度


请读者注意第 25 行代码，Point<char*, char*>表明了要将类型参数 T1、T2 都具体化为char*类型，原来使用 T1、T2 的位置都应该使用char*替换。Point 类有两个类型参数 T1、T2，并且都已经被具体化了，所以整个类模板就不再有类型参数了，模板头应该写作template<>。


再来对比第 19、40 行代码，可以发现，当在类的外部定义成员函数时，普通类模板的成员函数前面要带上模板头，而具体化的类模板的成员函数前面不能带模板头。
部分显式具体化


在上面的显式具体化例子中，我们为所有的类型参数都提供了实参，所以最后的模板头为空，也即template<>。另外 C++ 还允许只为一部分类型参数提供实参，这称为部分显式具体化。


部分显式具体化只能用于类模板，不能用于函数模板。


仍然以 Point 为例，假设我现在希望“只要横坐标 x 是字符串类型”就以|来分隔输出结果，而不管纵坐标 y 是什么类型，这种要求就可以使用部分显式具体化技术来满足。请看下面的代码：
#include <iostream>
using namespace std;
//类模板
template<class T1, class T2> class Point{
public:
    Point(T1 x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    T1 getX() const{ return m_x; }
    void setX(T1 x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    T1 m_x;
    T2 m_y;
};
template<class T1, class T2>  //这里需要带上模板头
void Point<T1, T2>::display() const{
    cout<<"x="<<m_x<<", y="<<m_y<<endl;
}
//类模板的部分显示具体化
template<typename T2> class Point<char*, T2>{
public:
    Point(char *x, T2 y): m_x(x), m_y(y){ }
public:
    char *getX() const{ return m_x; }
    void setX(char *x){ m_x = x; }
    T2 getY() const{ return m_y; }
    void setY(T2 y){ m_y = y; }
    void display() const;
private:
    char *m_x;  //x坐标
    T2 m_y;  //y坐标
};
template<typename T2>  //这里需要带上模板头
void Point<char*, T2>::display() const{
    cout<<"x="<<m_x<<" | y="<<m_y<<endl;
}
int main(){
    ( new Point<int, int>(10, 20) ) -> display();
    ( new Point<char*, int>("东京180度", 10) ) -> display();
    ( new Point<char*, char*>("东京180度", "北纬210度") ) -> display();
    return 0;
}
运行结果：
x=10, y=20
x=东京180度 | y=10
x=东京180度 | y=北纬210度


本例中，T1 对应横坐标 x 的类型，我们将 T1 具体化为char*，第 25 行代码就是类模板的部分显示具体化。


模板头template<typename T2>中声明的是没有被具体化的类型参数；类名Point<char*, T2>列出了所有类型参数，包括未被具体化的和已经被具体化的。


类名后面之所以要列出所有的类型参数，是为了让编译器确认“到底是第几个类型参数被具体化了”，如果写作template<typename T2> class Point<char*>，编译器就不知道char*代表的是第一个类型参数，还是第二个类型参数。