Павел Кузнецов
Симуляция частичной специализации
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.
TrueType ptr_discriminator(PointerShim);
FalseType ptr_discriminator(…);
// IsPointer‹T›::value == true, если T является указателем,
// IsPointer‹T›::value == false в противном случае.
template‹class T›
class IsPointer {
private:
static T t_;
public:
enum {
value = sizeof(ptr_discriminator(t_)) == sizeof(TrueType)};
};
// Так как объект типа void создан быть не может,
// случай IsPointer‹void› должен обрабатываться отдельно.
template‹›
class IsPointer‹void› {
public:
enum {value = false};
};
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ Строго говоря, необходимо предоставлять не только специализацию для void, но и для соответствующих cv-квалифицированных разновидностей: const void, volatile void, const volatile void. Эти специализации опущены для краткости изложения.
ПРИМЕЧАНИЕ Функции, подобные ptr_discriminator, иногда называют дискриминирующими.
Техника основана на том, что во время компиляции выражения sizeof(ptr_discriminator(t_)) компилятор вынужден выбрать из двух перегруженных функций ptr_discriminator наиболее подходящую. В случае, если IsPointer‹T›::t_ является указателем, будет выбрана функция ptr_discriminator(PointerShim), возвращающая значение типа TrueType, и значение IsPointer‹T›::value обращается в true, т.к. sizeof(ptr_discriminator(PointerShim)) – sizeof(TrueType); в противном случае подходящей является функция ptr_discriminator(…)и значением IsPointer‹T›::value является false, т.к. sizeof(ptr_discriminator(…)) – sizeof(FalseType), а типы TrueType и FalseType выбраны таким образом, что sizeof(TrueType)!= sizeof(FalseType).
Класс PointerShim необходим для того, чтобы классы, имеющие операцию приведения к указателю, не считались указателями. На первый взгляд может показаться, что можно «упростить» дискриминирующие функции ptr_discriminator, избавившись от промежуточного класса PointerShim:
TrueType simple_ptr_discriminator(const volatile void*);
FalseType simple_ptr_discriminator(…);
Однако, в этом случае, метафункция IsPointer будет работать неверно, например, для таких классов:
struct C {
operator int*() const {return 0;}
};
Так как класс C имеет операцию приведения к указателю, функция simple_ptr_discriminator может быть вызвана с любым объектом этого класса, и, следовательно, метафункция, построенная с использованием simple_ptr_discriminator, будет ошибочно определять подобные классы как указатели.
Пример. Для пущей ясности можно рассмотреть, как работает метафункция IsPointer‹T› на примере типа int. IsPointer‹int› разворачивается компилятором примерно в следующее:
// псевдокод
class IsPointer‹int› {
private:
static int t_;
public:
enum {value = sizeof(ptr_discriminator(t_)) == sizeof(TrueType)};
};
ptr_discriminator(PointerShim) для t_ не подходит, т.к. объект PointerShim может быть создан только из указателя. Следовательно, подходящей будет оставшаяся ptr_discriminator(…), которая возвращает FalseType. Значит, в данном случае выражение sizeof(ptr_discriminator(t_)) эквивалентно выражению sizeof(FalseType), значение которого по условию не равно sizeof(TrueType). Следовательно, IsPointer‹int›::value == false.
