Время от времени при работе с шаблонами возникает необходимость специализировать шаблон класса по одному из аргументов. В качестве примера можно рассмотреть шаблон классов матриц, параметризованный типом элемента и размерами матрицы.
>template‹class T, int Rows, int Columns›
>class Matrix {
> //…
>};
Предположим, в процессе разработки выяснилось, что производительность программы неудовлетворительна, и узким местом является функция умножения матриц с элементами типа float, и что эту проблему можно решить путем использования intrinsic-функций процессора. При наличии соответствующей поддержки компилятора это легко можно сделать при помощи так называемой частичной специализации шаблонов классов:
>template‹int Rows, int Columns›
>class Matrix‹float, Rows, Columns› {
> //…
>};
Однако некоторые компиляторы не поддерживают частичную специализацию, и, как следствие, «не понимают» подобные конструкции. Желание получить эквивалентную функциональность при работе с такими компиляторами приводит к технике, описанной ниже.
Естественным первым шагом будет вынести различающуюся функциональность Matrix‹› в два базовых класса: Matrix_‹›, реализующий общий случай, и Matrix_float_‹› для специфики Matrix‹float,…›.
>template‹class T, int Rows, int Columns›
>class Matrix_ {
> //…
>};
>template‹int Rows, int Columns› class Matrix_float_ {
> //…
>};
Таким образом, проблема сведется к тому, чтобы класс Matrix‹T, Rows, Columns› наследовался от Matrix_‹T, Rows, Columns› или Matrix_float_‹Rows, Columns›, в зависимости от того, является ли параметр T шаблона Matrix‹› типом float. Решение этой задачи и является главным «фокусом» данной техники.
Несмотря на отсутствие поддержки частичной специализации, компилятор позволяет специализировать шаблоны полностью. Этот факт можно использовать для построения вложенных шаблонов с полной специализацией и выбором подходящего базового класса на соответствующем уровне вложенности.
>template‹class T›
>struct MatrixTraits {
> template‹int Rows, int Columns›
> struct Dimensions {
> typedef Matrix_‹T, Rows, Columns› Base;
> };
>};
>template‹›
>struct MatrixTraits‹float› {
> template‹int Rows, int Columns›
> struct Dimensions {
> typedef Matrix_float_‹Rows, Columns› Base;
> };
>};
Теперь осталось просто унаследовать Matrix‹› от соответствующего класса MatrixTraits‹›::…::Base.
>template‹class T, int Rows, int Columns›
>class Matrix: public MatrixTraits‹T›::template Dimensions‹Rows, Columns›::Base {
> //…
>};
ПРИМЕЧАНИЕ Согласно текущей версии стандарта, использование ключевого слова template при квалификации вложенного шаблона Dimensions в данном случае обязательно, хотя некоторые компиляторы и позволяют его опускать.
Метапрограммирование и метафункции
Прежде чем перейти к изложению дальнейшего материала, полезно ввести понятия метапрограммирования и метафункции. Если внимательнее посмотреть на то, что происходит, когда компилятор встречает пример, подобный наследованию класса Matrix от MatrixTraits‹T›::…::Base, можно заметить, что фактически это является программированием компилятора. То есть, в данном случае компилятор как бы получает инструкцию: «если тип шаблона является типом float, то считать базовым классом Matrix_float_‹›, в противном случае – Matrix_‹›. Это можно рассматривать как программирование вычислений времени компиляции. Подобные техники иногда называют метапрограммированием шаблонами или просто метапрограммированием, а шаблоны, подобные MatrixTraits, – метафункциями.
Частичная специализация по виду аргумента шаблона
Одним из аспектов частичной специализации является возможность специализировать шаблон по виду аргумента, например, предоставить общую для всех указателей специализацию шаблона:
>template‹class T›
>class С {
> //…
>};
>template‹class T›
>class С‹T*› {
> //…
>};
Применительно к описанной технике, проблему можно свести к задаче создания метафункции, определяющей, является ли данный тип указателем:
>template‹class T›
>struct IsPointer {
> static const bool value =…;
>};
где IsPointer‹T›::value принимает значения true или false в зависимости от того, является ли тип T указателем.
ПРИМЕЧАНИЕ Так как некоторые компиляторы не поддерживают должным образом определение статических констант времени компиляции в теле класса, эта метафункция может быть переписана эквивалентным образом с использованием enum.
Задачу построения подобной метафункции решили в 2000 году сотрудники Adobe Systems Incorporated Мэт Маркус и Джесс Джонс. Суть решения сводится к использованию выражения вызова перегруженных функций внутри sizeof():
>// Типы TrueType и FalseType могут быть определены произвольным образом,
>// главное чтобы выполнялось условие: sizeof(TrueType)!= sizeof(FalseType).
>struct TrueType {char dummy_ [1];};
>struct FalseType {char dummy_ [100];};
>// Промежуточный класс PointerShim нужен,
>// чтобы избежать ошибочной работы метафункции
>// IsPointer в случае параметризации классом, в котором определен
>// оператор преобразования к указателю.
>struct PointerShim {
> PointerShim(const volatile void*);
>};
>// Т.к. функции ptr_discriminator на самом деле не вызываются, реализации не требуется.
