Специализации шаблонов классов *
Прежде чем приступать к рассмотрению специализаций шаблонов классов и причин, по которым в них может возникнуть надобность, добавим в шаблон Queue функции-члены min() и max(). Они будут обходить все элементы очереди и искать среди них соответственно минимальное и максимальное значения (правильнее, конечно, использовать для этой цели обобщенные алгоритмы min() и max(), представленные в главе 12, но мы определим эти функции как члены шаблона Queue, чтобы познакомиться со специализациями.)
template <class Type>
class Queue {
// ...
public:
Type min();
Type max();
// ...
};
// найти минимальное значение в очереди Queue
template <class Type>
Type Queue<Type>::min()
{
assert( ! is_empty() );
Type min_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item < min_val )
min_val = pq->item;
return min_val;
}
// найти максимальное значение в очереди Queue
template <class Type>
Type Queue<Type>::max()
{
assert( ! is_empty() );
Type max_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item > max_val )
max_val = pq->item;
return max_val;
}
Следующая инструкция в функции-члене min() сравнивает два элемента очереди Queue:
pq->item < min_val
Здесь неявно присутствует требование к типам, которыми может конкретизироваться шаблон класса Queue: такой тип должен либо иметь возможность пользоваться предопределенным оператором “меньше” для встроенных типов, либо быть классом, в котором определен оператор operator<(). Если же этого оператора нет, то попытка применить min() к очереди приведет к ошибке компиляции в том месте, где вызывается несуществующий оператор сравнения. (Аналогичная проблема существует и в max(), только касается оператора operator>()).
Предположим, что шаблон класса Queue нужно конкретизировать таким типом:
class LongSouble {
public:
LongDouble( double dbval ) : value( dval ) { }
bool compareLess( const LongDouble & );
private:
double value;
};
Но в этом классе нет оператора operator<(), позволяющего сравнивать два значения типа LongDouble, поэтому использовать для очереди типа Queue<LongDouble> функции-члены min() и max() нельзя. Одним из решений этой проблемы может стать определение глобальных operator<() и operator>(), в которых для сравнения значений типа Queue<LongDouble> используется функция-член compareLess. Эти глобальные операторы вызывались бы из min() и max() автоматически при сравнении объектов из очереди.
Однако мы рассмотрим другое решение, связанное со специализацией шаблонов класса: вместо общих определений функций-членов min() и max() при конкретизации шаблона Queue типом LongDouble мы определим специальные экземпляры Queue<LongDouble>::min() и Queue<LongDouble>::max(), основанные на функции-члене compareLess() класса LongDouble.
Это можно сделать, если воспользоваться явным определением специализации, где после ключевого слова template идет пара угловых скобок <>, а за ней– определение специализации члена класса. В приведенном примере для функций-членов min() и max() класса Queue<LongDouble>, конкретизированного из шаблона, определены явные специализации:
// определения явных специализаций
template<> LongDouble Queue<LongDouble>::min()
{
assert( ! is_empty() );
LongDouble min_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item.compareLess( min_val ) )
min_val = pq->item;
return min_val;
}
template<> LongDouble Queue<LongDouble>::max()
{
assert( ! is_empty() );
LongDouble max_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( max_val.compareLess( pq->item ) )
max_val = pq->item;
return max_val;
}
Хотя тип класса Queue<LongDouble> конкретизируется по шаблону, в каждом объекте этого типа используются специализированные функции-члены min() и max() – не те, что конкретизируются по обобщенным определениям этих функций в шаблоне класса Queue.
Поскольку определения явных специализаций min() и max() – это определения невстроенных функций, помещать их в заголовочный файл нельзя: они обязаны находится в файле с текстом программы. Однако явную специализацию функции можно объявить, не определяя. Например:
// объявления явных специализаций функций-членов
template <> LongDouble Queue<LongDouble>::min();
template <> LongDouble Queue<LongDouble>::max();
Поместив эти объявления в заголовочный файл, а соответствующие определения – в исходный, мы можем организовать код так же, как и для определений функций-членов обычного класса.
Иногда определение всего шаблона оказывается непригодным для конкретизации некоторым типом. В таком случае программист может специализировать шаблон класса целиком. Напишем полное определение класса Queue<LongDouble>:
// QueueLD.h: определяет специализацию класса Queue<LongDouble>
#include "Queue.h"
template<> Queue<LongDouble> {
Queue<LongDouble>();
~Queue<LongDouble>();
LongDouble& remove();
void add( const LongDouble & );
bool is_empty() const;
LongDouble min();
LongDouble max();
private:
// Некоторая реализация
};
Явную специализацию шаблона класса можно определять только после того, как общий шаблон уже был объявлен (хотя и не обязательно определен). Иными словами, должно быть известно, что специализируемое имя обозначает шаблон класса. Если в приведенном примере не включить заголовочный файл Queue.h перед определением явной специализации шаблона, компилятор выдаст сообщение об ошибке, указывая, что Queue – это не имя шаблона.
Если мы определяем специализацию всего шаблона класса, то должны определить также все без исключения функции-члены и статические данные-члены. Определения членов из общего шаблона никогда не используются для создания определений членов явной специализации: множества членов этих шаблонов могут различаться. Чтобы предоставить определение явной специализации для типа класса Queue<LongDouble>, придется определить не только функции-члены min() и max(), но и все остальные.
Если класс специализируется целиком, лексемы template<> помещаются только перед определением явной специализации всего шаблона:
#include "QueueLD.h"
// определяет функцию-член min()
// из специализированного шаблона класса
LongDouble Queue<LongDouble>::min() { }
Класс не может в одних файлах конкретизироваться из общего определения шаблона, а в других – из специализированного, если задано одно и то же множество аргументов. Например, специализацию шаблона QueueItem<LongDouble> необходимо объявлять в каждом файле, где она используется:
// ---- File1.C ----
#include "Queue.h"
void ReadIn( Queue<LongDouble> *pq ) {
// использование pq->add()
// приводит к конкретизации QueueItem<LongDouble>
}
// ---- File2.C ----
#include "QueueLD.h"
void ReadIn( Queue<LongDouble> * );
int main() {
// используется определение специализации для Queue<LongDouble>
Queue<LongDouble> *qld = new Queue<LongDouble>;
ReadIn( qld );
// ...
}
Эта программа некорректна, хотя большинство компиляторов ошибку не обнаружат: заголовочный файл QueueLD.h следует включать во все файлы, где используется Queue<LongDouble>, причем до первого использования.
