C++ 模板偏特化 (Partial Specialization)
模板偏特化允許為模板的部分參數或特定類型模式提供定制實現，是 靜態多態（Static Polymorphism） 的核心機制之一。以下通過代碼示例和底層原理，全面解析模板偏特化的實現規則、匹配優先級及實際應用。
1. 模板偏特化的定義與語法
1.1 基本語法
偏特化僅對部分模板參數進行特化，或對參數類型施加約束（如指針、引用、相同類型等）。
示例：通用模板與偏特化模板的定義
// 通用模板
template <typename T, typename U>
class Pair {
public:void describe() { cout << "Generic Pair<T, U>" << endl; }
};// 偏特化 1：當兩個類型相同時
template <typename T>
class Pair<T, T> {
public:void describe() { cout << "Same Type Pair<T, T>" << endl; }
};// 偏特化 2：當第二個類型為指針時
template <typename T, typename U>
class Pair<T, U*> {
public:void describe() { cout << "Pointer Pair<T, U*>" << endl; }
};
2. 偏特化的匹配規則
2.1 優先級順序
編譯器按以下優先級選擇模板版本：
全特化 > 偏特化 > 通用模板
示例：不同實例的匹配結果
int main() {Pair<int, double> p1; // 通用模板p1.describe(); // 輸出 "Generic Pair<T, U>"Pair<int, int> p2; // 偏特化 1（相同類型）p2.describe(); // 輸出 "Same Type Pair<T, T>"Pair<int, double*> p3; // 偏特化 2（指針）p3.describe(); // 輸出 "Pointer Pair<T, U*>"return 0;
}
2.2 偏序關系 (Partial Ordering)
編譯器通過 最特化 (Most Specialized) 原則判斷匹配：
- 若模板 A 能匹配模板 B 的所有實例，但反之不成立，則 A 更特化。
- 示例：
Pair<T, T>比Pair<T, U>更特化。
3. 偏特化的常見應用場景
3.1 指針類型優化
針對指針類型提供高效存儲或操作：
template <typename T>
class DataWrapper {
public:void process(T value) { /* 通用實現 */ }
};// 偏特化：指針類型
template <typename T>
class DataWrapper<T*> {
public:void process(T* ptr) { /* 針對指針的優化實現 */ }
};
3.2 類型特征檢查
結合 const、引用等修飾符進行特化：
#include <iostream>template <typename T>
class Checker {
public:void check() { std::cout << "Non-const T" << std::endl; }
};template <typename T>
class Checker<const T> {
public:void check() { std::cout << "Const T" << std::endl; }
};int main() {// 測試非 const 類型Checker<int> nonConstChecker;nonConstChecker.check();// 測試 const 類型Checker<const int> constChecker;constChecker.check();return 0;
}
4. 函數模板的“偏特化”替代方案
函數模板不支持偏特化，但可通過重載或標簽分發模擬類似效果。
示例：使用重載替代偏特化
// 通用函數模板
template <typename T>
void process(T value) { cout << "Generic process" << endl; }// 重載版本：針對指針類型
template <typename T>
void process(T* ptr) { cout << "Pointer process" << endl; }int main() {int a = 10;process(a); // 調用通用版本process(&a); // 調用指針重載版本return 0;
}
5. 底層原理與符號生成
5.1 名稱修飾 (Name Mangling)
每個特化版本生成唯一符號名。例如：
Pair<int, int>→_Z4PairIiiEPair<int, double*>→_Z4PairIdPvE
5.2 代碼生成
編譯器為每個特化版本生成獨立代碼，避免運行時開銷。
6. 模板偏特化的限制
- 僅限類模板：函數模板不支持偏特化，只能通過重載實現類似功能。
- 聲明順序：偏特化必須在通用模板之后聲明。
- 參數依賴性：特化模式需與通用模板參數匹配。
總結
| 特性 | 通用模板 | 偏特化模板 |
|---|---|---|
| 語法 | template <typename T, U> | template <typename T> class Pair<T, T> |
| 應用場景 | 默認實現 | 針對類型模式（指針、相同類型等）優化 |
| 優先級 | 最低 | 介于全特化和通用模板之間 |
| 函數模板 | 支持 | 不支持，需通過重載實現 |
多選題
題目 1：類模板全特化與偏特化的優先級沖突
以下代碼的輸出是什么？
template <typename T, typename U>
class Adapter {
public:void execute() { cout << "Generic Adapter" << endl; }
};template <typename T>
class Adapter<T, T> {
public:void execute() { cout << "Same Type Adapter" << endl; }
};template <typename T>
class Adapter<T, int> {
public:void execute() { cout << "Int Adapter" << endl; }
};int main() {Adapter<double, double> a;Adapter<float, int> b;a.execute();b.execute();return 0;
}
A. Same Type Adapter 和 Int Adapter
B. Generic Adapter 和 Int Adapter
C. Same Type Adapter 和 Generic Adapter
D. 編譯失敗，存在歧義
題目 2：函數模板重載與類模板偏特化的交互
以下代碼的輸出是什么？
template <typename T>
class Wrapper {
public:void process(T val) { cout << "Generic Wrapper" << endl; }
};template <typename T>
class Wrapper<T*> {
public:void process(T* val) { cout << "Pointer Wrapper" << endl; }
};template <typename T>
void process(T val) { cout << "Function Template" << endl; }int main() {Wrapper<int*> w;w.process(nullptr); // 調用哪個版本的 process？return 0;
}
A. Generic Wrapper
B. Pointer Wrapper
C. Function Template
D. 編譯失敗，存在歧義
題目 3：偏特化中的靜態成員行為
以下代碼的輸出是什么？
template <typename T>
class Counter {
public:static int count;Counter() { count++; }
};template <typename T>
int Counter<T>::count = 0;template <typename T>
class Counter<T*> {
public:static int count;Counter() { count += 2; }
};template <typename T>
int Counter<T*>::count = 0;int main() {Counter<int> a, b;Counter<int*> c, d;cout << Counter<int>::count << " " << Counter<int*>::count << endl;return 0;
}
A. 2 4
B. 2 2
C. 2 0
D. 0 4
題目 4：繼承與模板偏特化的交互
以下代碼的輸出是什么？
template <typename T>
class Base {
public:virtual void print() { cout << "Base<T>" << endl; }
};template <>
class Base<int> {
public:virtual void print() { cout << "Base<int>" << endl; }
};class Derived : public Base<int> {
public:void print() override { cout << "Derived" << endl; }
};int main() {Base<int>* obj = new Derived();obj->print();delete obj;return 0;
}
A. Base<T>
B. Base<int>
C. Derived
D. 編譯失敗，基類特化版本無法被繼承
題目 5：復雜類型模式匹配
以下代碼的輸出是什么？
template <typename T>
class Checker {
public:void describe() { cout << "Generic Checker" << endl; }
};template <typename T>
class Checker<T**> {
public:void describe() { cout << "Pointer-to-Pointer Checker" << endl; }
};template <typename T>
class Checker<T(*)(int)> {
public:void describe() { cout << "Function Pointer Checker" << endl; }
};int main() {Checker<int**> a;Checker<void(*)(int)> b;a.describe();b.describe();return 0;
}
A. Generic Checker 和 Function Pointer Checker
B. Pointer-to-Pointer Checker 和 Function Pointer Checker
C. Pointer-to-Pointer Checker 和 Generic Checker
D. 編譯失敗，無法匹配特化版本
答案與解析
題目 1：類模板全特化與偏特化的優先級沖突
答案：A
解析：
Adapter<double, double>匹配Adapter<T, T>（偏特化），輸出Same Type Adapter。Adapter<float, int>匹配Adapter<T, int>（偏特化），輸出Int Adapter。- 兩個偏特化版本均合法，無優先級沖突。
題目 2：函數模板重載與類模板偏特化的交互
答案：B
解析：
Wrapper<int*>實例化偏特化版本Wrapper<T*>，其成員函數process屬于類成員函數。w.process(nullptr)調用Wrapper<T*>::process，輸出Pointer Wrapper。- 全局函數模板
process未被調用，因為成員函數與非成員函數作用域不同。
題目 3：偏特化中的靜態成員行為
答案：A
解析：
Counter<int>實例化通用模板：兩次構造（a,b），count累加為 2。Counter<int*>實例化指針偏特化：兩次構造（c,d），每次構造count += 2，總為 4。
題目 4：繼承與模板偏特化的交互
答案：C
解析：
Derived繼承自Base<int>的全特化版本，并重寫虛函數print()。- 通過基類指針調用虛函數，觸發動態綁定，輸出
Derived。 - 模板特化版本支持繼承和多態，與普通類行為一致。
題目 5：復雜類型模式匹配
答案：B
解析：
Checker<int**>匹配Checker<T**>（指針到指針的偏特化），輸出Pointer-to-Pointer Checker。Checker<void(*)(int)>匹配Checker<T(*)(int)>（函數指針的偏特化），輸出Function Pointer Checker。- 編譯器能正確解析嵌套類型模式。
總結
這些題目覆蓋了模板偏特化的優先級規則、靜態成員隔離、繼承多態、復雜類型匹配等高級主題，深入考察對靜態多態機制的理解。
