C++ 模板特化以及Typelist的相關理解

　　近日，在學習的過程中第一次接觸到了Typelist的相關內容，比如Loki庫有一本Modern C++ design的一本書，大概JD搜了一波沒有譯本，英文版600多R，瞬間從價值上看到了這本書的價值！！這是題外話。這本書十分經典。其內容對於一個C++新手來說需要時間來理解吸收。在這里記錄一下自己的理解。日后發現錯誤會給予更正。如有有人碰巧看到了。歡迎指正。

參考了http://blog.csdn.net/gatieme/article/details/50953564

整篇內容分了三個部分：1.特化  2.Typelist 3.應用的情形

1.在說明Typelist相關內容之前，要先了解一下什么叫模板特化與模板偏特化。

　　1.1 模板與特化：

　　　　模板分為函數模板與類模板。函數模板是一種抽象函數的定義，它代表了具有相同結構的一類函數。類模板類似於Stack等封裝區分數據類型，是一種更高級的抽象封裝

　　　　所謂特化就是講泛型的東西更加的具體化，比如在某些泛型參數中進行限定，使得不受任何約定的模板參數受到了約束（比如常見的這個大寫T），下面的例子中會更具象化的說明個人的一些理解。

　　　　特化的分類：分為函數模板特化和類模板特化，全特化與偏特化

　　　　①：函數模板特化

　　　　　　當函數模板需要對某些類型進行限定的時候稱之為函數模板特化

　　　　②：類模板特化

　　　　　　與上述類似，只是是使用於類

　　　　③：全特化

　　　　　　將模板中的參數全部指定為確定的類型，其標志就是應用於完全確定的內容。而不是在編譯時去確定具體的應用實例。標志：template<>然后是和末班類型沒有關系的類實現或者函數定義。

　　　　④：偏特化

　　　　　　模板中的參數沒有被全部指定。需要編譯器在編譯時進行確定。

　　1.2 函數模板特化：

　　　　如下代碼：

template <class T>
int compare(const T  left,const T  right) {
    std::cout << "test template func" << endl;
    return (left - right);
}

這個函數能夠滿足一些基本類型的比較需求(int,float,....巴拉巴啦)，但是對於字符串的比價這個函數是不能支持的。

因此我們可以對其進行特化處理。

template < >
int compare<const char *>(const char * left,const char * right) {
    std::cout << "function tempate special" << std::endl;
    return strcmp(left,right);
}

//另一種特化方式是如下
template < >
int compare(const char * left,const char * right) {
　　std::cout << " in special template <> .." << std::endl;
　　return strcmp(left,right);
}

測試代碼：

#include<bits/stdc++.h>

template <class T>
int compare(const T  left,const T  right) {
    std::cout << "test template func" << std::endl;
    return (left - right);
}

template <>
int compare(const char* left, const char* right){
    std::cout <<"in special template..." <<std::endl;
    return strcmp(left, right);
}


int main() {
    std::cout << compare(1, 2) << std::endl;
    const char *left = "abcd";
    const char *right = "accd";
    std::cout << compare(left, right) << std::endl;
    return 0;
}

輸出內容

test template func
-1
in special template...
-1

函數的特化，當函數調用發現有特化后的匹配函數的時候，會優先調用特化的函數。而不是通過函數模板進行實例化。

 

　　1.2類模板特化

　　　　與函數模板特化類似，當模板內需要對某些類型進行特別處理時，需要這種處理。這里歸納了一個模板參數的類模板特化的幾種類型。

　　　　1.絕對類型

　　　　2.引用，指針類型

　　　　3. 特化為另一個類模板（這個厲害了，我猜的）

　　1.2.1 特化為絕對類型 ： 直接為某個特定類型做特化，這是一種常見的方式。

　　　　

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cmath>

template <class T>
class Compare {
public : 
    static bool IsEqual(const T & lh,const T & rh) {
        std::cout << "uniusall " << std::endl;
        return lh == rh;
    }
};

template<>
class Compare<float> {
public :
    static bool IsEqual(const float & lh,const float & rh) {
        std::cout << "float special class " << std::endl;
        return abs(lh - rh) < 1e-4;
    }
};

int main() {
    Compare<int> comp1;
    std::cout << comp1.IsEqual(2,3) << std::endl;
    Compare<float> comp2;
    std::cout << comp2.IsEqual(1,1) << std::endl;
}

另外我特意要說明的是，如果沒有第一段template<class T>的模板聲明，直接template<> Class Compare<float>是否可以？

這個是不可以的，編譯報錯內容是 'Compare' is not a class template，這個在后邊有關typelist內容中也會提出（ps 主要是由在閱讀Typelist中的一行代碼導致我特意測試了一下這種情況）。

偏特化：

template <class T1,class T2>
class A {};

template <class T1>
class A<T1,int> {};

下面的代碼框內容是在另一個博客中提到的另外2中類型，目前還沒有使用過。作為記錄放在這里

template <class _Iterator>
struct iterator_traits {
  typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
  typedef typename _Iterator::value_type        value_type;
  typedef typename _Iterator::difference_type   difference_type;
  typedef typename _Iterator::pointer           pointer;
  typedef typename _Iterator::reference         reference;
};

// specialize for _Tp*
template <class _Tp>
struct iterator_traits<_Tp*> {
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef _Tp                         value_type;
  typedef ptrdiff_t                   difference_type;
  typedef _Tp*                        pointer;
  typedef _Tp&                        reference;
};

// specialize for const _Tp*
template <class _Tp>
struct iterator_traits<const _Tp*> {
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef _Tp                         value_type;
  typedef ptrdiff_t                   difference_type;
  typedef const _Tp*                  pointer;
  typedef const _Tp&                  reference;
};

// specialize for T*
template<class T>
class Compare<T*>
{
public:
    static bool IsEqual(const T* lh, const T* rh)
    {
        return Compare<T>::IsEqual(*lh, *rh);
    }
};

 

這種特化其實是不一種絕對的特化，他只是對類型做了某些限定，但仍然保留了莫版型，給我們提供了極大地方便。

在這里，我么不就不需要對int*.float *,double *等等類型分別做特定的特化。這其實是第二種方式的擴展，其實夜視對類型做了某種限定。而不是絕對化為某個具體類型。

如下一段代碼

template <class T>
class Compare< vector<T> > {
public :
    static bool IsEqual(const vector<T> &lh,const vector<T> & rh) {
        if (lh.size() != rh.size()) return false;
        else {
            for (int i = 0 ; i < lh.size() ; i++)
                if (lh[i] != rh[i]) return false;
        }
    }
};

上述的代碼比較好理解。就省略了

 

以下是第三種特化為另一個類模板

template <class T1>
struct SpecializedType {
    T1 x1;
    T1 x2;
}

template <class T>
class Compare< SpeciallizedType<T> > {
public :
    static bool IsEqual(const Specialized<T> & lh,const Specialized<T>&rh) {
        return Compare<T>::IsEqual(lh.x1 + lh.x2,rh.x1 + rh.x2);
    }
};

SpecializedType<float> a = {10.0f,10.1f};
SpecializedType<float> b = {10.3f,10.4f};
bool flag = Compare<SpecializedType<float> >::IsEqual(a,b);

 

2.關於TypeList，這個是來自於Loki庫中的一部分。

基於個人的理解。我分開一段一個一個函數的記錄一下。

首先是一些最基本的定義和宏

class NullType {};
template <class T,class U>
struct Typelist {
    typedef H Head;
    typedef U Tail;
}
//通過定義一些宏使得typelist線性化
#define TYPELIST_0() NullType  
#define TYPELIST_1(T1) Typelist<T1,TYPELIST_0()>  
#define TYPELIST_2(T1,T2) Typelist<T1,TYPELIST_1(T2)>  
#define TYPELIST_3(T1,T2,T3) Typelist<T1,TYPELIST_2(T2,T3)>  
#define TYPELIST_4(T1,T2,T3,T4) Typelist<T1,TYPELIST_3(T2,T3,T4)>  
#define TYPELIST_5(T1,T2,T3,T4,T5) Typelist<T1,TYPELIST_4(T2,T3,T4,T5)>  

Typelist結構里面是2個typedef，看見其內部沒有任何數值，他們的實體是空的，不含有任何狀態，也未定義任何函數。執行期間Typelists也不帶任何數值，他們的存在只是為了攜帶類別信息，Typelist並未打算被具體化。　另外規定，typelist必須以NullType作為結尾。其可以被視為一個結束符號。具體宏的作用結合下面的例子來說明。

//如何聲明使用
typedef TYPELIST_0() TL0;
typedef TYPELIST_3(char,int,double) TL3;

將上面的宏產開后
是如下的形式

typedef NullType TL0;
typedef Typelist<char,Typelist<int,Typelist<double,NullType> > >TL3;

上面這種方法利用了特化中的特化為另一個模板的方法。

針對於上面的展開，可以看下獲取長度length的代碼

//為了方便解釋，我把他們分為3部分.
//第一部分 只有一行
template<class TList>struct Length;
//第二部分
template<>struct Length<NullType> {
    enum { value = 0; }
};
//第三部分
template<class T,class U>
struct Length<Typelist<T,U> > {
    enum { value = 1 + Length<U>::value} ;
};

分開來解釋一個我個人的理解:

第一部分：template<class TList>struct Length;

這句話實際上是最困擾我的一句話，首先這句話一定要有。否則的代價是編譯不過。

關於這句話的作用個人的理解第一：基於編譯是否通過，如果使用全特化，必然要有“前置的模板聲明”，否則會報錯

　　                                      第二：首先說明這個獲取長度的方法該如何調用。基於前面講的TL3

std::cout<<Length<TL0>::value<<std::endl;

借助這個調用來解釋我個人的理解，在Length中，只有NullType和Typelist<T,U>可以進行匹配，當我們嘗試傳遞Length<int>的時候自然是無法找到匹配, 原因是Length進行特化的時候只能匹配到NullType和Typelist，

由此，這句話既是聲明又是一種限定，他告訴編譯器什么形式的具象化可以匹配模板。

第二個部分：

　　全特化，只有NullType可以匹配，遞歸調用的終點。很好理解

第三個部分：

　　偏特化，結合前面的宏展開，可以看出其遞歸調用的方式。其使用Typelist來進行特化，需要2個參數。

 

剩下的代碼大體只是邏輯區別：不再贅述，完整代碼：（來自http://blog.csdn.net/zhuyingqingfen/article/details/43938713）

#ifndef TYPE_LISTS_H_
#define TYPE_LISTS_H_


#include <iostream>
#include <string>
#include "typetraits.h"

/*
TypeLists 內部沒有任何數值（value)，他們的實體是空的，不含有任何狀態，也未定義任何函數。
執行期間TypeLists也不帶任何數值，他們存在的理由只是為了攜帶型別信息。TypeLists 並未打算被具
現化。因此，當我們說“a TypeListL”，實際指的是一個typelist型別，不是一個typelist 對象。
規定 typelist 必須以NullType(類）結尾，NullType可被視為一個結束符號，類似於c字符串的\0功能，
定義一個只有一個元素的typelist如下：
typedef Typelist<int,NullType> OneTypeOnly.
*/
template<class T,class U>
struct Typelist
{
    typedef T Head;
    typedef U Tail;
};
Class NullType{};
//通過定義宏 將typelist線性化
#define TYPELIST_0() NullType
#define TYPELIST_1(T1) Typelist<T1,TYPELIST_0()>
#define TYPELIST_2(T1,T2) Typelist<T1,TYPELIST_1(T2)>
#define TYPELIST_3(T1,T2,T3) Typelist<T1,TYPELIST_2(T2,T3)>
#define TYPELIST_4(T1,T2,T3,T4) Typelist<T1,TYPELIST_3(T2,T3,T4)>
#define TYPELIST_5(T1,T2,T3,T4,T5) Typelist<T1,TYPELIST_4(T2,T3,T4,T5)>

//計算TypeList長度
//大多數Typelist的操作都是基於遞歸，遞歸終止條件通過模板特化實現。
template<class TList>struct Length;
template<>struct Length<NullType>//Length的全特化，即，只匹配NullType。
{
    enum{value = 0};
};
template<class T,class U>
struct Length<Typelist<T,U> >//Length的扁特化，可匹配任何TypeList<T,U>類型，包括U同時也是Typelist的復合情況。
{
    enum{value = 1+Length<U>::value};
};
//2 索引式訪問
template <class TList,unsigned int index> struct TypeAt;
template<class Head,class Tail>
struct TypeAt<Typelist<Head,Tail>,0>
{
    typedef Head Result;
};
template<class Head,class Tail,unsigned int i>
struct TypeAt<Typelist<Head,Tail> ,i>
{
    typedef typename TypeAt<Tail,i-1>::Result Result;
};

//類似TypeAt功能，不過TypeAtNonStrict對逾界訪問更加寬容。
//比如TypeList的個數是3，那么你不能使用TypeAt<TL3,3>::Result，這樣會編譯錯誤。
//但是TypeAtNonStrict<TL3,3,NullType>::Result可以，如果不存在索引為3的type，那么結果是第三個引數即NullType
template <class TList, unsigned int i, typename DefType = NullType>
struct TypeAtNonStrict
{
    typedef DefType Result;
};
template <class T, class U, typename DefType>
struct TypeAtNonStrict< Typelist<T, U>, 0, DefType >
{
    typedef T Result;
};
template <class T, class U, unsigned int i, typename DefType>
struct TypeAtNonStrict< Typelist<T, U>, i, DefType >
{
    typedef typename TypeAtNonStrict<U, i - 1, DefType>::Result Result;
};

//3 查找TypeList
template<class TList,class T> struct IndexOf;//聲明
template<class T>
struct IndexOf<NullType,T>//如果TList為NullType，那么令value = -1；
{
    enum{value = -1};
};
template<class Tail,class T>
struct IndexOf<Typelist<T,Tail> ,T>//如果T是TList中的頭端，那么令value= 0；
{
    enum{value = 0};
};
template<class Head,class Tail,class T>//將IndexOf施於TList尾端和T，並將結果置於一個臨時變量temp
struct IndexOf<Typelist<Head,Tail> ,T>//如果temp為-1，令value為-1，否則令value為1+temp
{
private:
    enum{temp = IndexOf<Tail,T>::value};//temp要先於value聲明定義。
public:
    enum{value = temp == -1 ? -1 : temp + 1};
};

//4 附加元素到typelist
template <class Tlist,class T>struct Append;//聲明
template<>struct Append<NullType,NullType>//如果TList是NULL而且T是NULL，那么令Result為NullType
{
    typedef NullType Result;
};
template <class T> struct Append<NullType,T> //如果TList是NullType，且T是type(非typelist),
{                                           //那么Result將是"只含有唯一元素的T";
    typedef TYPELIST_1(T) Result;
};
template <class Head,class Tail>
struct Append<NullType,Typelist<Head,Tail> >// 如果TList是NullType，且T是一個typelist，那么Result便是T本身
{
    typedef Typelist<Head,Tail> Result;
};
template<class Head,class Tail,class T>//否則，如果Tlist是non-null，那么result將是個typelist，以TList::Head
struct Append<Typelist<Head,Tail>,T>   //為起頭端，並以T附加到TList::Tail的結果為其尾端。
{
    typedef Typelist<Head,typename Append<Tail,T>::Result> Result;
};

//5 Reverse
template <class TList> struct Reverse;
template <>struct Reverse<NullType>
{
    typedef NullType Result;
};
template <class Head, class Tail>
struct Reverse< Typelist<Head, Tail> >
{
    typedef typename Append<
        typename Reverse<Tail>::Result, Head>::Result Result;
};


#endif

調用測試代碼：

void typelists_test()
{
    typedef TYPELIST_0() TL0;
    typedef TYPELIST_3(char,int,double) TL3;
    typedef TYPELIST_3(char,int,double) TL3_1;
    //Length
    std::cout<<Length<TL0>::value<<std::endl;
    std::cout<<Length<TL3>::value<<std::endl;

    //TypeAt
    typedef TypeAt<TL3,0>::Result Parm1;
    typedef TypeAt<TL3,1>::Result Parm2;
    typedef TypeAt<TL3,2>::Result Parm3;

    typedef TypeAtNonStrict<TL3,3,EmptyType>::Result TEST_TYPE;

    std::cout<<"Parm1 Type:"<<typeid(Parm1).name() <<" sizeof : "<< sizeof(Parm1)<<std::endl;
    std::cout<<"Parm2 Type:"<<typeid(Parm2).name() <<" sizeof : "<< sizeof(Parm2)<<std::endl;
    std::cout<<"Parm3 Type:"<<typeid(Parm3).name() <<" sizeof : "<< sizeof(Parm3)<<std::endl;
    std::cout<<"TEST_TYPE Type:"<<typeid(TEST_TYPE).name() <<" sizeof : "<< sizeof(TEST_TYPE)<<std::endl;

    //IndexOf
    std::cout<<"char indexof TL3 :"<<IndexOf<TL3,char>::value<<std::endl;
    std::cout<<"int indexof TL3 :"<<IndexOf<TL3,int>::value<<std::endl;
    std::cout<<"float indexof TL3 :"<<IndexOf<TL3,float>::value<<std::endl;

    //Append 
    typedef Append<TL3,int> TL4;//TL4不是一個TypeList
    typedef Append<TL3_1,TYPELIST_2(float,double)> TL5;
    std::cout<<"TL4 Length  :"<<Length<TL4::Result>::value<<std::endl;
    std::cout<<"TL5 Length  :"<<Length<TL5::Result>::value<<std::endl;

    //Reverse
    std::cout<<"Reverse result:"<<typeid(Reverse<TL3>::Result).name()<<std::endl;
}

 

3.應用

　　舉例：大學績點計算，眾所周知的這是一個基於權重的計算方法，對於不同學分的學科權重不同。現在假設有4科目吧：信號，電磁場，高頻，微波器件

那么可能的實現方式是這樣的：(PS覺得這個例子不太恰當甚至十分不恰當，僅作為個人輔助理解。）

①：直接計算

//偽代碼
if (當前的科目是信號） {
    信號科目相關加權和分數處理...
}
if (當前的科目是電磁場) {
    電磁場科目相關加權和分數處理...
}
//剩下的略

②：利用類和繼承來實現。

　　第一種的實現很直接卻脫離了面向對象的設計，顯得代碼十分多，亂。

　　第二種大體代碼就像下面,在這里創建了對應的實例化對象進行處理。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

class ScoreBase {
public :
    ScoreBase() {}
    virtual int calcuWeight(score * scores);
    virtual ~ScoreBase() {}
}

class ScoreSignal : public ScoreBase {
public :
    ScoreSignal(){}
    virtual int calcuWeight(score * scores);
}

class ScoreElect : public ScoreBase {
public :
    ScoreElect() {}
    virtual int calcuWeight(score * scores);
}

vector<ScoreBase *>dealscore;
dealscore.push_back(new ScoreSignal());
dealscore.push_back(new ScoreElect());
score * scores = get_scores();//獲取到了分數
int totalWeight = 0;
for (int i = 0 ; i < (int)dealscore.size() ; i++) 
    totalWeight += dealscore[i] -> calcuWeight(scores);

③：使用typelist完成這件事情

記得之前的展開宏么，這就可以使用到它了。為了方便，我們用結構體（純粹是因為默認public，關於在C++中struct和class的區別，http://www.cnblogs.com/Commence/p/7481315.html）

第一步先通過宏定義出我們想要的東西

struct signalscore {
    int static calcuWeight(score * scores);
}

struct elecscore {
    int static calcuWeight(score * scores);
}

struct highfreqscore {
    int static calcuWeight(score * scores);
}

typedef Typelist<signalscore,Typelist<elecscore,Tyeplist<highfreqscore,NullType> > >calWeightList;

第二步：類似前面獲取Length的方法，建立模板來處理它。

template<class TList>struct calWeight;
template<>struct calWeight<NullType> {
    int static calcuWeight(scene * scenes) { return 0;}
}

template<class T,class U>
struct calWeight< Typelist<T,U> > {
    int static calWeight(scene * scenes) {
        return T::calcuWeight(scene * scenes) + calWeight<U>::calWeight(scene * scenes);
    }
}

std::cout << calWeight<calWeightList>::calWeight(scenes) << std::endl;

由於時間關系：上述第三種並沒有完整的可以編譯通過的代碼。將在近期補充