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

Как мы привыкли использовать шаблоны? Используем ключевое слово template, затем в угловых скобках имена параметров шаблона , после чего тип и имя. Для параметров также указывают что это такое: тип (typename) или значение (например, int). Тип самого шаблона может быть класс (class), структура (struct - вообщем-то тоже класс) или функция (bool foo() и так далее). Например, простейший шаблонный класс "A" можно задать вот так:

Через некоторое время мы захотим, чтобы наш класс для всех типов работал одинаково, а для какого-нибудь хитрого вроде int - по-другому. Фигня вопрос, пишем специализацию: выглядит так же как объявление но параметры шаблона в угловых скобках не указываем, вместо этого указываем конкретные аргументы шаблона после его имени:

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

Если внимательно читать ISO стандарт С++, то можно обнаружить интересное утверждение: создав специализированный шаблонный класс мы создаем новый шаблонный класс (14.5.4.3). Что это нам дает? Специализированный шаблонный класс может содержать методы, поля или объявления типов которых нет в шаблонном классе который мы специализируем. Удобно, когда нужно чтобы метод шаблонного класса работал только для конкретной специализации - достаточно объявить метод только в этой специализации, остальное сделает компилятор:

Специализированный шаблон может иметь свои параметры шаблона

Дьявол, как известно, в деталях. То, что специализированный шаблонный класс это совсем-совсем новый и отдельный класс конечно интересно, но магии в этом мало. А магия есть в незначительном следствии - если это отдельный шаблонный класс, то он может иметь отдельные, никак не связанные с неспециализированным шаблонным классом параметры (параметры - это то, что после template в угловых скобках). Например, вот так:

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

Из двух вышеописанных свойств специализации шаблонов есть ряд интересных следствий. Например, при использовании частичной специализации можно, вводя новые параметры шаблона и описывая через них специализированные аргументы, разбивать составные типы на простейшие. В приведенном ниже примере специализированный шаблонный класс A будет использован, если аргументов шаблона является тип указателя на функцию. При этом через новые параметры шаблона S и U можно получить тип возвращаемого значения этой функции и тип ее аргумента:

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

Собрался я было писать текст про всякие крутые структуры данных и тут оказалось, что мы ещё не разбирали несколько очень важных возможностей C++. Шаблоны - одна из них.

Шаблоны (templates) - очень мощное средство. Шаблонные функции и классы позволяют очень сильно упростить программисту жизнь и сберечь огромное количество времени, сил и нервов. Если вам покажется, что шаблоны не сильно-то и значимая тема для изучения, знайте - вы заблуждаетесь.

Шаблонные функции

Простой пример шаблонной функции:

код на языке c++ Type square (Type a) { Type b; b = a*a; return b; } int x = 5; int i; i = square(5); float y = 0.5; float f; f = square(y);

Если бы мы создавали функции по старинке, то тогда бы пришлось писать две разные функции: для типа int и для типа float. А если бы понадобилась такая же функция, использующая другие типы, пришлось бы заново писать и её. Используя шаблоны, можно ограничиться только одним экземпляром функции, оставив всю грязную работу компилятору.

Вместо использования какого-то определённого типа, в функции используется параметрический тип (или по другому - аргумент шаблона). Здесь я обозвал параметрический тип идентификатором Type. В функции этот идентификатор встречается три раза: возвращаемое значение, аргумент функции и определение переменной s. То есть Type используется как любой обычный тип.

Но чтобы код заработал, перед функцией нужно добавить следующую строку (я показал несколько вариантов синтаксиса, все они рабочие):

код на языке c++ template Type square (Type a) template < class Type > Type square (Type a) template < class Type > Type square (Type a)

Итак, перед функцией должно стоять ключевое слово template (шаблон), а в угловых скобках нужно указать имя параметрического типа с ключевым словом class. Вместо ключевого слова class можно использовать type - в общем-то никакой разницы.

Идентификатор параметрического типа тоже может быть любым. Мы часто будем пользоваться вот такими: TypeA, TypeB, Datatype, T.

Важное замечание : У шаблонных функций должен быть аргумент, чтобы компилятор мог определить какой именно тип использовать.

В шаблонах можно использовать несколько параметрических типов, и конечно же можно смешивать параметрические типы со стандартными (только нужно позаботиться о правильном приведении типов). Приведу пример в котором используется два параметрических типа TypeA, TypeB и базовый тип int:

код на языке c++ template TypeB example_function (TypeA a, TypeB b) { int x = 5; b = a + x; return b; }

Но шаблонные функции - не самое интересное, что мы сегодня рассмотрим.

Шаблонные классы

В общем-то шаблонные классы создаются почти так же как и шаблонные функции - перед именем класса записывается ключевое слово template. Шаблонные классы рассмотрим на примере стека:

код на языке c++ template class stack { private: int top; Type s; public: stack (): top(0) {} void push(Type var) { top++; s = var; } Type pop(); }; template Type stack::pop() { Type var = s; top--; return var; } Здесь мы опре

делили стек из десяти элементов. Эти элементы могут быть какого угодно типа, об этом чуть-чуть ниже.

Единственное на что хочу обратить ваше внимание: определение функций push и pop. Функция push определена внутри класса, а функция pop - снаружи. Для всех функции объявлённых за пределами класса, нужно обязательно указывать ключевое слово template. Выражение перед именем функции совпадает с тем, которое указывается перед именем класса.

Теперь посмотрим как работать с шаблонными классами:

код на языке c++ stack s1; stack s2; s1.push(3); s1.push(2); s1.pop(); s2.push(0.5);

При создании объекта, после имени класса нужно поставить угловые скобки, в которых указать нужный тип. После этого объекты используются так, как мы привыкли.

У шаблонных классов есть одна потрясающая особенность - кроме стандартных типов, они могут работать и с пользовательскими. Рассмотрим небольшой пример. Для этого определим простой класс warrior:

код на языке c++ class warrior { public: int health; warrior () : health(0) {} }; stack s; warrior w1; warrior w2; warrior w3; s.push(w1); s.push(w3); s.pop(); s.push(w2);

Смотрите, теперь в стеках можно размещать переменные типа warrior!!! Возможно вы не поверите мне, но это очень круто! Насколько это круто, вы сможете убедиться когда на основе списков мы будем создавать графы и деревья.

По шаблонам пока всё. Позже разберём более сложные случаи использования шаблонных классов.

17 марта 2009 в 20:36

Трюки со специализацией шаблонов C++

• C++

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

Как мы привыкли использовать шаблоны? Используем ключевое слово template, затем в угловых скобках имена параметров шаблона , после чего тип и имя. Для параметров также указывают что это такое: тип (typename) или значение (например, int). Тип самого шаблона может быть класс (class), структура (struct - вообщем-то тоже класс) или функция (bool foo() и так далее). Например, простейший шаблонный класс "A" можно задать вот так:

Через некоторое время мы захотим, чтобы наш класс для всех типов работал одинаково, а для какого-нибудь хитрого вроде int - по-другому. Фигня вопрос, пишем специализацию: выглядит так же как объявление но параметры шаблона в угловых скобках не указываем, вместо этого указываем конкретные аргументы шаблона после его имени:

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

Если внимательно читать ISO стандарт С++, то можно обнаружить интересное утверждение: создав специализированный шаблонный класс мы создаем новый шаблонный класс (14.5.4.3). Что это нам дает? Специализированный шаблонный класс может содержать методы, поля или объявления типов которых нет в шаблонном классе который мы специализируем. Удобно, когда нужно чтобы метод шаблонного класса работал только для конкретной специализации - достаточно объявить метод только в этой специализации, остальное сделает компилятор:

Специализированный шаблон может иметь свои параметры шаблона

Дьявол, как известно, в деталях. То, что специализированный шаблонный класс это совсем-совсем новый и отдельный класс конечно интересно, но магии в этом мало. А магия есть в незначительном следствии - если это отдельный шаблонный класс, то он может иметь отдельные, никак не связанные с неспециализированным шаблонным классом параметры (параметры - это то, что после template в угловых скобках). Например, вот так:

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

Из двух вышеописанных свойств специализации шаблонов есть ряд интересных следствий. Например, при использовании частичной специализации можно, вводя новые параметры шаблона и описывая через них специализированные аргументы, разбивать составные типы на простейшие. В приведенном ниже примере специализированный шаблонный класс A будет использован, если аргументов шаблона является тип указателя на функцию. При этом через новые параметры шаблона S и U можно получить тип возвращаемого значения этой функции и тип ее аргумента:

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