在C++泛型编程中如何只特化类的某个成员函数

我们知道在C++模板编程中如果我们特化或是偏特化某个模板类， 我们需要重写整个模板类中的所有函数， 但是这些代码通常是非常相似的， 甚至在某些情况下可能只有一两个函数会不一样，其他函数都是一样的。在这种情况下，同时存在多份相同的代码，对我们维护这些代码是非常不利的， 我们最好只需要特化其中不一样的那个函数。

比如下面这个模板类：

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();
}

 

只有当B等于16时， Func这个函数需要特化， 但是其他函数无论什么情况下都是一样的。

下面是我们的一些可能解决方案:

方法1:

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

点评：通过偏特化实现，需要重写所有的类成员方法。

 

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;
        }
    }
};

点评: 通过运行时判断， 容易理解，但是相对低效。

 

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
    }
};

点评： 试图通过预编译来实现，但是这个方法是错误的。C++模板编译包括预编译，语法检查，模板实例化等阶段，在预编译阶段模板参数都还没有实例化呢。

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;
};

点评: 通过成员类以防函数的形式特化， 增加了类成员变量。

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>();
    }
};

点评：通过类成员模板函数特化来实现。

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>());
    }
};

点评： 通过将int根据值的不同转成不同的类型，然后通过函数重载实现。

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; }
};

点评： 和方法6类似，通过函数重载实现

 

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>();
    }
};

点评：通过enable_if, 利用SFINAE实现。

 

我们可以看到根据编译时模板参数int值的不同，我们重写模板类的某个成员函数的方法是多种多样的。针对上面这种情况，个人其实最推荐方法2，我们没必要把简单的问题复杂化。

 

下面我们考虑另外一个需求， 当模板类的某个参数是某种类型时， 我们要求特化其中的一个成员函数:

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();
}

要求上面的模板类如果T2 是string类型， 我们要求对Func特殊重写，其他的成员函数无论什么情况实现都是一样的。

有了上面的那个例子的实现经验， 对这个问题我们解决就方便多了。

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; 
        }
    }
};

点评：通过运行时类型识别(RTTI)实现，需要打开相关编译选项，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>();
    }
};

点评：通过成员函数特化实现

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>());
    }
};

点评： 通过函数重载实现

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; 
        }
    }
};

点评： 通过编译时类型判断实现。

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; 
        }
    }
};

点评： 和方法4类似， 是不过实现方式不一样。

最后，探讨下我自己遇到的问题， 我们在写一个事件委托(delegate)类，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();
}

我们可以看到，当return_type是void时， 因为没有返回值，上面的代码会编译失败，因此我们只能偏特化这种情况：

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，我们会发现只有这个operator()函数是需要根据return_type特殊对待的，其他函数永远都是一样的。

我们现在的问题就是如何只特化这个函数。

首先我们会想到如下的实现方法：

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;
        }
    }
};

但是我们很快会发现这种情况下if语句被编译进去了， 所以return_type是void的情况下还是会编译失败。

我们要解决的问题就是如何把这个if语句变成函数重载，于是我们想到如下实现：

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>());
    }
};

上面的实现首先通过编译时类型识别，然后再把识别后相应的bool值转成不同类型， 最后再利用不同类型函数重载实现。

最后总结下，我们可以看到，从编译时到运行时，从面向对象到普通泛型编程再到模板元编程，C++复杂得让人无语， 也强大得让人无语， 而且C++语言本身是在不断发展的(C++11)， 同一问题在C++中往往有多种解决方案，这些解决方案有的简单，有的复杂，有的高效， 也有的低效， 而我们的目标就是利用C++这把利器寻找简单而高效的解决方案。

注：本人初学C++ templates编程，如有错误，欢迎指正。

      参考资料：http://bbs.csdn.net/topics/390116038

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