2.2 模板世界的If-Then-Else：类模板的特化与偏特化

2.2.1 根据类型执行代码

前一节的示例提出了一个要求：需要做出根据类型执行不同代码。要达成这一目的，模板并不是唯一的途径。比如之前我们所说的重载。如果把眼界放宽一些，虚函数也是根据类型执行代码的例子。此外，在C语言时代，也会有一些技法来达到这个目的，比如下面这个例子，我们需要对两个浮点做加法， 或者对两个整数做乘法：

struct Variant
{
  union
  {
    int x;
    float y;
  } data;
  uint32 typeId;
};

Variant addFloatOrMulInt(Variant const* a, Variant const* b)
{
  Variant ret;
  assert(a->typeId == b->typeId);
  if (a->typeId == TYPE_INT)
  {
    ret.x = a->x * b->x;
  }
  else
  {
    ret.y = a->y + b->y;
  }
  return ret;
}

更常见的是 void*:

#define BIN_OP(type, a, op, b, result) (*(type *)(result)) = (*(type const *)(a)) op (*(type const*)(b))
void doDiv(void* out, void const* data0, void const* data1, DATA_TYPE type)
{
  if(type == TYPE_INT)
  {
    BIN_OP(int, data0, *, data1, out);
  }
  else
  {
    BIN_OP(float, data0, +, data1, out);
  }
}

在C++中比如在 Boost.Any 的实现中，运用了 typeid 来查询类型信息。和 typeid 同属于RTTI机制的 dynamic_cast，也经常会用来做类型判别的工作。我想你应该写过类似于下面的代码：

IAnimal* animal = GetAnimalFromSystem();

IDog* maybeDog = dynamic_cast<IDog*>(animal);
if(maybeDog)
{
  maybeDog->Wangwang();
}
ICat* maybeCat = dynamic_cast<ICat*>(animal);
if(maybeCat)
{
  maybeCat->Moemoe();
}

当然，在实际的工作中，我们建议把需要 dynamic_cast 后执行的代码，尽量变成虚函数。不过这个已经是另外一个问题了。我们看到，不管是哪种方法都很难避免 if 的存在。而且因为输入数据的类型是模糊的，经常需要强制地、没有任何检查的转换成某个类型，因此很容易出错。

但是模板与这些方法最大的区别并不在这里。模板无论其参数或者是类型，它都是一个编译期分派的办法。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。例如在上例中，

template <typename T> T addFloatOrMulInt(T a, T b);

// 迷之代码1：用于T是float的情况

// 迷之代码2：用于T是int时的情况

如果你运用了模板来实现，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。但是如果使用了我们前述的 Variant 来实现，编译器可就管不了那么多了。但是，成也编译期，败也编译期。最严重的“缺点”，就是你没办法根据用户输入或者别的什么在运行期间可能发生变化的量来决定它产生、或执行什么代码。比如下面的代码段，它是不成立的。

template <int i, int j>
int foo() { return i + j; }
int main()
{
  cin >> x >> y;
  return foo<x, y>();
}

这点限制也粉碎了妄图用模板来包办工厂（Factory）甚至是反射的梦想。尽管在《Modern C++ Design》中（别问我为什么老举这本书，因为《C++ Templates》和《Generic Programming》我只是囫囵吞枣读过，基本不记得了)大量运用模板来简化工厂方法；同时C++11/14中的一些机制如Variadic Template更是让这一问题的解决更加彻底。但无论如何，直到C++11/14，光靠模板你就是写不出依靠类名或者ID变量产生类型实例的代码。

所以说，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。比如下面的这个例子：

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);

除非世界末日，否则这个例子里不管你怎么蹦跶，单看代码我们就能知道， 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”。

2.2.2 特化

我的高中物理老师对我说过一句令我受用至今的话：把自己能做的事情做好。编写模板程序也是一样。当你试图用模板解决问题之前，先撇开那些复杂的语法要素，用最直观的方式表达你的需求：

// 这里是伪代码，意思一下

int|float addFloatOrMulInt(a, b)
{
  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;
}

因为这一节是讲类模板有关的特化和偏特化机制，所以我们不用普通的函数，而是用类的静态成员函数来做这个事情（这就是典型的没事找抽型）：

// 这里仍然是伪代码，意思一下，too。
class AddFloatOrMulInt
{
  static int|float Do(a, b)
  {
    if(type is Int)
    {
      return a * b;
    }
    else if (type is Float)
	{
	  return a + b;
    }
  }
};

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

好，意思表达清楚了。我们先从调用方的角度，把这个形式改写一下：

void foo()
{
  float a, b, c;
  c = AddFloatOrMulInt<float>::Do(a, b); // c = a + b;
	
  int x, y, z;
  z = AddFloatOrMulInt<int>::Do(x, y); // z = x * y;
}

也许你不明白为什么要改写成现在这个样子。看不懂不怪你，怪我讲得不好。但是你别急，先看看这样改写以后能不能跟我们的目标接近一点。如果我们把 AddFloatOrMulInt<float>::Do 看作一个普通的函数，那么我们可以写两个实现出来：

float AddFloatOrMulInt<float>::Do(float a, float b)
{
  return a + b;
}

int AddFloatOrMulInt<int>::Do(int a, int b)
{
  return a * b;
}

void foo()
{
  float a, b, c;
  c = AddFloatOrMulInt<float>::Do(a, b); // c = a + b;
	
  int x, y, z;
  z = AddFloatOrMulInt<int>::Do(x, y); // z = x * y;
}

这样是不是就很开心了？我们更进一步，把 AddFloatOrMulInt<int>::Do 换成合法的类模板：

// 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;

  // 嗯，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。我们先来看特化是怎么应用到这个问题上的。

// 首先，要写出模板的一般形式（原型）
template <typename T> class AddFloatOrMulInt
{
  static T Do(T a, T b)
  {
    // 在这个例子里面一般形式里面是什么内容不重要，因为用不上
    // 这里就随便给个0吧。
    return T(0);
  }
};

// 其次，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;
  }
};

// 再次，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;
  }
};

void foo()
{
  // 这里面就不写了
}

我们再把特化的形式拿出来一瞧：这货有点怪啊： template <> class AddFloatOrMulInt<int>。别急，我给你解释一下。

// 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 ... 
};

// Bingo!

哈，这样就好了。我们来做一个练习。我们有一些类型，然后你要用模板做一个对照表，让类型对应上一个数字。我先来做一个示范：

template <typename T> class TypeToID
{
public:
  static int const ID = -1;
};

template <> class TypeToID<uint8_t>
{
public:
  static int const ID = 0;
};

然后呢，你的任务就是，要所有无符号的整数类型的特化（其实就是uint8_t到uint64_t啦），把所有的基本类型都赋予一个ID（当然是不一样的啦）。当你做完后呢，可以把类型所对应的ID打印出来，我仍然以 uint8_t 为例：

void PrintID()
{
  cout << "ID of uint8_t: " << TypeToID<uint8_t>::ID << endl;
}

嗯，看起来挺简单的，是吧。但是这里透露出了一个非常重要的信号，我希望你已经能察觉出来了： TypeToID 如同是一个函数。这个函数只能在编译期间执行。它输入一个类型，输出一个ID。

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。

2.2.3 特化：一些其它问题

在上一节结束之后，你一定做了许多的练习。我们再来做三个练习。第一，给float一个ID；第二，给void*一个ID；第三，给任意类型的指针一个ID。先来做第一个:

// ...
// TypeToID 的模板“原型”
// ...

template <> class TypeToID<float>
{
  static int const ID = 0xF10A7;
};

嗯， 这个你已经了然于心了。那么void*呢？你想了想，这已经是一个复合类型了。不错你还是战战兢兢地写了下来：

template <> class TypeToID<void*>
{
  static int const ID = 0x401d;
};

void PrintID()
{
  cout << "ID of uint8_t: " << TypeToID<void*>::ID << endl;
}

遍译运行一下，对了。模板不过如此嘛。然后你觉得自己已经完全掌握了，并试图将所有C++类型都放到模板里面，开始了自我折磨的过程：

class ClassB {};

template <> class TypeToID<void ()>;    // 函数的TypeID
template <> class TypeToID<int[3]>;     // 数组的TypeID
template <> class TypeToID<int (int[3])>; // 这是以数组为参数的函数的TypeID
template <> class TypeToID<int (ClassB::*[3])(void*, float[2])>; // 我也不知道这是什么了，自己看着办吧。

甚至连 const 和 volatile 都能装进去：

template <> class TypeToID<int const * volatile * const volatile>;

此时就很明白了，只要 <> 内填进去的是一个C++能解析的合法类型，模板都能让你特化。不过这个时候如果你一点都没有写错的话， PrintID 中只打印了我们提供了特化的类型的ID。那如果我们没有为之提供特化的类型呢？比如说double？OK，实践出真知，我们来尝试着运行一下：

void PrintID()
{
  cout << "ID of double: " << TypeToID<double>::ID << endl;
}

嗯，它输出的是-1。我们顺藤摸瓜会看到， TypeToID的类模板“原型”的ID是值就是-1。通过这个例子可以知道，当模板实例化时提供的模板参数不能匹配到任何的特化形式的时候，它就会去匹配类模板的“原型”形式。

不过这里有一个问题要理清一下。和继承不同，类模板的“原型”和它的特化类在实现上是没有关系的，并不是在类模板中写了 ID 这个Member，那所有的特化就必须要加入 ID 这个Member，或者特化就自动有了这个成员。完全没这回事。我们把类模板改成以下形式，或许能看的更清楚一点：

template <typename T> class TypeToID
{
public:
  static int const NotID = -2;
};

template <> class TypeToID<float>
{
public:
  static int const ID = 1;
};

void PrintID()
{
  cout << "ID of float: " << TypeToID<float>::ID << endl;     // Print "1"
  cout << "NotID of float: " << TypeToID<float>::NotID << endl; // Error! TypeToID<float>使用的特化的类，这个类的实现没有NotID这个成员。
  cout << "ID of double: " << TypeToID<double>::ID << endl;   // Error! TypeToID<double>是由模板类实例化出来的，它只有NotID，没有ID这个成员。
}

这样就明白了。类模板和类模板的特化的作用，仅仅是指导编译器选择哪个编译，但是特化之间、特化和它原型的类模板之间，是分别独立实现的。所以如果多个特化、或者特化和对应的类模板有着类似的内容，很不好意思，你得写上若干遍了。

第三个问题，是写一个模板匹配任意类型的指针。对于C语言来说，因为没有泛型的概念，因此它提供了无类型的指针void*。它的优点是，所有指针都能转换成它。它的缺点是，一旦转换称它后，你就再也不知道这个指针到底是指向float或者是int或者是struct了。

比如说copy。

void copy(void* dst, void const* src, size_t elemSize, size_t elemCount, void (*copyElem)(void* dstElem, void const* srcElem))
{
  void const* reader = src;
  void const* writer = dst;
  for(size_t i = 0; i < elemCount; ++i)
  {
    copyElem(writer, reader);
    advancePointer(reader, elemSize); // 把Reader指针往后移动一些字节
    advancePointer(writer, elemSize);
   }
}

为什么要提供copyElem，是因为可能有些struct需要深拷贝，所以得用特殊的copy函数。这个在C++98/03里面就体现为拷贝构造和赋值函数。

但是不管怎么搞，因为这个函数的参数只是void*而已，当你使用了错误的elemSize，或者传入了错误的copyElem，就必须要到运行的时候才有可能看出来。注意，这还只是有可能而已。

那么C++有了模板后，能否既能匹配任意类型的指针，同时又保留了类型信息呢？答案是显然的。至于怎么写，那就得充分发挥你的直觉了：

首先，我们需要一个typename T来指代“任意类型”这四个字：

template <typename T>

接下来，我们要写函数原型：

void copy(?? dest, ?? src, size_t elemCount);

这里的 ?? 要怎么写呢？既然我们有了模板类型参数T，那我们不如就按照经验，写 T* 看看。

template <typename T>
void copy(T* dst, T const* src, size_t elemCount);

编译一下，咦，居然通过了。看来这里的语法与我们以前学到的知识并没有什么不同。这也是语言设计最重要的一点原则：一致性。它可以让你辛辛苦苦体验到的规律不至于白费。

最后就是实现：

template <typename T>
void copy(T* dst, T const* src, size_t elemCount)
{
  for(size_t i = 0; i < elemCount; ++i)
  {
    dst[i] = src[i];
  }
}

是不是简洁了许多？你不需要再传入size；只要你有正确的赋值函数，也不需要提供定制的copy；也不用担心dst和src的类型不匹配了。

最后，我们把函数模板学到的东西，也应用到类模板里面：

template <typename T> // 嗯，需要一个T
class TypeToID<T*> // 我要对所有的指针类型特化，所以这里就写T*
{
public:
  static int const ID = 0x80000000;	// 用最高位表示它是一个指针
};

最后写个例子来测试一下，看看我们的 T* 能不能搞定 float*：

void PrintID()
{
  cout << "ID of float*: " << TypeToID<float*>::ID << endl;
}

哈哈，大功告成。嗯，别急着高兴。待我问一个问题：你知道 TypeToID<float*> 后，这里的T是什么吗？换句话说，你知道下面这段代码打印的是什么吗？

// ...
// TypeToID 的其他代码，略过不表
// ...

template <typename T> // 嗯，需要一个T
class TypeToID<T*> // 我要对所有的指针类型特化，所以这里就写T*
{
public:
  typedef T		 SameAsT;
  static int const ID = 0x80000000; // 用最高位表示它是一个指针
};

void PrintID()
{
  cout << "ID of float*: " << TypeToID< TypeToID<float*>::SameAsT >::ID << endl;
}

别急着运行，你先猜。

------------------------- 这里是给勤于思考的码猴的分割线 -------------------------------

OK，猜出来了吗，T是float。为什么呢？因为你用 float * 匹配了 T *，所以 T 就对应 float 了。没想清楚的自己再多体会一下。

嗯，所以实际上，我们可以利用这个特性做一件事情：把指针类型的那个指针给“干掉”：

template <typename T>
class RemovePointer
{
public:
  typedef T Result;  // 如果放进来的不是一个指针，那么它就是我们要的结果。
};

template <typename T>
class RemovePointer<T*>	// 祖传牛皮藓，专治各类指针
{
public:
  typedef T Result;  // 正如我们刚刚讲的，去掉一层指针，把 T* 这里的 T 取出来。
};

void Foo()
{
  RemovePointer<float*>::Result x = 5.0f; // 喏，用RemovePointer后，那个Result就是把float*的指针处理掉以后的结果：float啦。
  std::cout << x << std::endl;
}

当然啦，这里我们实现的不算是真正的 RemovePointer，因为我们只去掉了一层指针。而如果传进来的是类似 RemovePointer<int**> 这样的东西呢？是的没错，去掉一层之后还是一个指针。RemovePointer<int**>::Result 应该是一个 int*，要怎么才能实现我们想要的呢？聪明的你一定能想到：只要像剥洋葱一样，一层一层一层地剥开，不就好了吗！相应地我们应该怎么实现呢？可以把 RemovePointer 的特化版本改成这样（当然如果有一些不明白的地方你可以暂时跳过，接着往下看，很快就会明白的）：

template <typename T>
class RemovePointer<T*>
{
public:
  // 如果是传进来的是一个指针，我们就剥夺一层，直到指针形式不存在为止。
  // 例如 RemovePointer<int**>，Result 是 RemovePointer<int*>::Result，
  // 而 RemovePointer<int*>::Result 又是 int，最终就变成了我们想要的 int，其它也是类似。
  typedef typename RemovePointer<T>::Result Result;
};

是的没错，这便是我们想要的 RemovePointer 的样子。类似的你还可以试着实现 RemoveConst, AddPointer 之类的东西。

OK，回到我们之前的话题，如果这个时候，我需要给 int* 提供一个更加特殊的特化，那么我还得多提供一个：

// ...
// TypeToID 的其他代码，略过不表
// ...

template <typename T> // 嗯，需要一个T
class TypeToID<T*>  // 我要对所有的指针类型特化，所以这里就写T*
{
public:
  typedef T SameAsT;
  static int const ID = 0x80000000; // 用最高位表示它是一个指针
};

template <> // 嗯，int* 已经是个具体的不能再具体的类型了，所以模板不需要额外的类型参数了
class TypeToID<int*> // 嗯，对int*的特化。在这里呢，要把int*整体看作一个类型
{
public:
  static int const ID = 0x12345678; // 给一个缺心眼的ID
};

void PrintID()
{
  cout << "ID of int*: " << TypeToID<int*>::ID << endl;
}

嗯，这个时候它会输出0x12345678的十进制（大概？）。 可能会有较真的人说，int* 去匹配 T 或者 T*，也是合法的。就和你说22岁以上能结婚，那24岁当然也能结婚一样。 那为什么 int* 就会找 int*，float *因为没有合适的特化就去找 T*，更一般的就去找 T 呢？废话，有专门为你准备的东西你不用，非要自己找事？这就是直觉。 但是呢，直觉对付更加复杂的问题还是没用的（也不是没用，主要是你没这个直觉了）。我们要把这个直觉，转换成合理的规则——即模板的匹配规则。 当然，这个匹配规则是对复杂问题用的，所以我们会到实在一眼看不出来的时候才会动用它。一开始我们只要把握：模板是从最特殊到最一般形式进行匹配的 就可以了。