C++ 模板元编程之模板特化的概念从何而来

0. 前言

C++ 里的模板能做什么呢?它好比 C 语言中的宏、C# 和 Java 中的自省(restropection)和反射(reflection)，是 C++ 语言的外延。更极端一点地理解：它是一门新的图灵完备的编程语言(也就是说，C++ 模板能实现图灵机模型里的全部功能)。在《Modern C++ Design》中，作者抛出了以下几个问题：

(1)如何撰写更高级的C++程式?

(2)如何应付即使在很干净的设计中仍然像雪崩一样的不相干细节?

(3)如何构建可复用组件，使得每次在不同程式中应用组件时无需大动干戈?

解决上述问题的方法就是模板元编程。元(meta)本身就是个很“抽象(abstract)”的词，因为它的本意就是“抽象”。元编程，也可以说就是“编程的抽象”。用更好理解的说法，元编程意味着你撰写一段程序A，程序A会运行后生成另外一个程序B，程序B才是真正实现功能的程序。那么这个时候程序A可以称作程序B的元程序，撰写程序A的过程，就称之为“元编程”。

C++中，元编程的手段，可以是宏，也可以是模板。

1、为什么需要泛型编程：从宏到模板，再到元编程

如果元编程中所有的变量(或者说元编程的参数)，都是类型，那么这样的编程，我们有个特定的称呼，叫“泛型”。

模板的发明，仅仅是为了做和宏几乎一样的替换工作吗?可以说是，也可以说不是。

一方面，模板可以用来替换类型，这点和宏没什么区别。只是宏在编译阶段基于文本做纯粹替换，被替换的文本本身没有任何语义。而模板会在分析模板时以及实例化模板的时候都会进行检查，而且源代码中也能与调试符号一一对应，所以无论是编译时还是运行时，排错都相对简单。

另一方面，模板和宏也有很大的不同，模板最大的不同在于它是“可以运算”的。我们来看一个例子：

void Add(uint8_t, unit8_t) {} 

上述函数实现了一个 uint8_t 和 uint8_t 类型的加法运算，如果现在要实现 int16 和 int16 类型的加法运算，该怎么办呢?简单点的方法如下：

if (type == 8) { 
    Add(uint8_t, uint8_t) 
} else if (type == 16) { 
    Add(uint16_t, uint16_t) 
} 

但是这里有两个难点：

• 首先， if(type == x) 是不存在于 C++ 中的
• 其次，即便存在获取变量 type 的方法(Boost.Any 中的 typeid )，我们也不希望它在运行时判断，这样会变得很慢。是否可以不引入 if/else，在编译期就把 Add 的方法确定呢?

有人说，重载、虚函数也能解决如上问题：

void Add(uint8_t, uint8_t) {} 
void Add(uint16_t, uint16_t) {} 

甚至在 C 语言中定义新的结构体 Variant 或使用 void* 也能解决该问题：

struct Variant 
{ 
    union 
    { 
        uint_8 x; 
        uint_16 y; 
    } data; 
    uint32_t typeId; 
}; 

没错，但是如果我还有 uint9_t、uint10_t 等各种类型的加法运算呢?Anyway，不管是哪种方法都很难避免 if/else 的存在。

模板与上述这些方法最大的区别在于：模板无论其参数或者是类型，它都是一个编译期分派的方法。编译期就能确定的东西既可以做类型检查，编译器也能进行优化，砍掉任何不必要的代码执行路径。

2、类模板的特化：模板世界里的 if/else

2.1 根据类型执行代码

我们先来看看一个模板的例子：

template <typename T> T AddFloatOrMulInt(T a, T b); 
// 我们希望这个函数在 T 是 float 的时候做加法运算，在 T 是 int 类型的时候做乘法运算 

那么当传入两个不同类型的变量，或者不是 int 和 float 变量，编译器就会提示错误。

从能力上来看，模板能做的事情都是编译期完成的。编译期完成的意思就是，当你编译一个程序的时候，所有的量就都已经确定了。比如下面的例子：

int a = 3, b = 5; 
Variant aVar, bVar; 
aVar.setInt(a);            // 我们新加上的方法，怎么实现的无所谓，大家明白意思就行了。 
bVar.setInt(b); 
Variant result = AddFloatOrMulInt(aVar, bVar); 

从上述代码中我们可以看到：aVar 和 bVar 都一定会是整数。所以如果有合适的机制，编译器就能知道此处的 AddFloatOrMulInt 中只需要执行 int 路径上的代码，而且编译器在此处也能单独为 int 路径生成代码，从而去掉那个不必要的 if。在模板代码中，这个“合适的机制”就是指“特化”和“部分特化(Partial Specialization)”，后者也叫“偏特化”。

2.2、如何写模板特化的代码

1.0 版本 - 伪代码

int/float AddFloatOrMulInt(a, b) // 类的静态函数 
{ 
  if(type is int) { 
    return a * b; 
  } else if (type is float) { 
    return a + b; 
  } 
} 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
    c = addFloatOrMulInt(a, b);        // c = a + b; 
 
    int x, y, z; 
    z = addFloatOrMulInt(x, y);        // z = x * y; 
} 

2.0 版本 - 函数重载

float AddFloatOrMulInt(float a, float b) 
{ 
    return a + b; 
} 
 
int AddFloatOrMulIntDo(int a, int b) 
{ 
    return a * b; 
} 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
    c = AddFloatOrMulInt(a, b);        // c = a + b; 
 
    int x, y, z; 
    z = AddFloatOrMulInt(x, y);        // z = x * y; 
} 

3.0 版本 - 纯模板

// 这个是给float用的。 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    T Do(T a, T b) 
    { 
        return a + b; 
    } 
}; 
 
// 这个是给int用的。 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    T Do(T a, T b) 
    { 
        return a * b; 
    } 
}; 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
 
    // 我们需要 c = a + b; 
    c = AddFloatOrMulInt<float>::Do(a, b);         
    // ... 觉得哪里不对劲 ... 
    // 啊！有两个 AddFloatOrMulInt，class 看起来一模一样，要怎么区分呢！ 
} 

好吧，问题来了!如何要让两个内容不同，但是模板参数形式相同的类进行区分呢?特化!特化(specialization)是根据一个或多个特殊的整数或类型，给出模板实例化时的一个指定内容。

4.0 版本 - 模板特化

// 首先，要写出模板的一般形式（原型，即初始化，不能省） 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    static T Do(T a, T b)  // 注意这里必须得是静态方法！！！ 
    { 
        return T(0); 
    } 
}; 
 
// 其次，我们要指定T是float时候的代码： 
template <> class AddFloatOrMulInt<float> 
{ 
public: 
    static float Do(float a, float b) 
    { 
        return a + b; 
    } 
}; 
 
// 再次，我们要指定T是int时候的代码，这就是特化： 
template <> class AddFloatOrMulInt<int> 
{ 
public: 
    static int Do(int a, int b) //  
    { 
        return a * b; 
    } 
}; 
 
int foo() 
{ 
    return AddFloatOrMulInt<float>::Do(1.0, 2.0); 
} 
 
int main()  
{ 
    std::cout << foo();  // 输出结果 3.0 
} 

解释：

// 我们这个模板的基本形式是什么？ 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt; 
 
// 但是这个类，是给T是 int 的时候用的，于是我们写作 
class AddFloatOrMulInt<int>; 
// 当然，这里编译是通不过的。 
// 但是它又不是个普通类，而是类模板的一个特化（特例）。 
// 所以前面要加模板关键字template，以及模板参数列表 
template </* 这里要填什么？ */> class AddFloatOrMulInt<int>; 
 
// 最后，模板参数列表里面填什么？因为原型的T已经被int取代了。所以这里就不能也不需要放任何额外的参数了。所以这里放空。 
template <> class AddFloatOrMulInt<int> 
{ 
    // ... 针对 int 的实现 ...  
} 
 
// Done! 

至此，第一个模板特化的代码已经写完了。这里的 AddFloatOrMulInt 如同是一个函数，却只能在编译期间执行。如果你体味到了这一点，那么恭喜你，你的模板元编程已经开悟了。

3、总结

本文核心只讲了两个问题：一是为什么需要泛型编程，重点介绍了宏、模板和元编程的关系;二是模板类的特化代码如何编写。关于特化，还有很多细节知识，在之后的文章中我们继续探究，另外将还介绍偏特化等知识点，敬请期待。