C++STL迭代器实现原理之一：模板与模板特化

这段时间在研究C++STL源码中关于迭代器的实现原理，参考了很多资料，尽管这些资料都写得很详尽，但是还是遇到不少困惑，相信不少初学者也会碰到这些问题。因此，特地写下这篇文章，将学习过程中遇到的一些疑惑逐一解答，希望对广大初学者有所帮助。
1、源码中迭代器实现涉及的基本思想概念
（1）泛型编程
（2）函数模板及类模板
（3）模板（偏）特化
（4）trait“萃取”机制
如果初学者对这些概念没有掌握，估计很难看懂STL源码中迭代器的实现原理。于是打算从这些基本概念讲起，逐步过渡到C++ STL迭代器的实现原理。
2、函数模板与函数模板全特化
（1）函数模板全特化
上面已经提到模板（偏）特化是一个很重要的概念，下面先讲一下模板特化。模板特化分为函数模板特化与类模板特化
函数模板——函数模板特化
类模板——类模板特化
首先看一下简单的模板：

template<typename T>
void printBigger(T num1,T num2)
{
    T bigger=num1>num2?num1:num2;
    cout<<bigger<<endl;
}

上述就展示了一个函数模板，该函数模板的作用是打印两个数中较大者。因此可以如下使用：

printBigger(11,100);//打印两个整数中的较大者，此时T=int
printBigger(11.1,12.2);//打印连个浮点数中的较大者，此时T=float
printBigger(11,18.2);//非法，编译会出错。两个参数数据的类型必须一致。此时无法推断数据T的类型，因为两个数据参数类型不一致。

顺便指出，函数模板与类模板有个很大的不同是，类模板实例化是需要显示指明模板参数类型，而函数模板是根据
函数入参自动推断类型。
printBigger(11,100)中，编译器会自动推断函数的参数类型为int，不用显示指明

类的话，需要显示指明
template<typename T> 
class Test
{
    private:
    T data;
    ……//其它省略
}
使用类模板时，需要显示指明模板数据类型
Test<int> testInt;//显示指明数据类型为int
Test<double> testDouble;//显示指明数据类型为double

（2）模板特化的概念
回到主题，那么什么是模板（偏）特化？我的理解是，模板是C++的一个很重要的特性，模板使编程泛化或者通用化，比如上面的模板函数，可以接受不同类型的参数，于是该函数模板可以处理int、double、char等类型数据。而模板特化就是将某一种特殊的类型单独拿出来处理，在匹配的时候会有限匹配特化模板，形式上是原来使用模板参数类型T的位置用一个的数据类型代替。上面的printBigger函数的功能是打印两个数中的较大者，想象一下，假如我们传入两个int *，我们目的当然不是比较这两个指针的大小，而是比较这两个指针指向的整数的的大小。如果我们直接使用模板函数printBigger（ptr1，ptr2），会直接比较两个指针的大小，这显然偏离我们的本意。在这种情况下，我们可以将处理整形指针参数特化，如下：

template<typename T>
void printBigger(T num1,T num2)  //普通模板
{
    T bigger=num1>num2?num1:num2;
    cout<<bigger<<endl;
}
template<>  //因为模板特化，指明指明了函数参数类型，故模板参数类型为空
void printBigger(int* n,int* num2) //特化模板，模板参数类型T的位置用int*代替
{
    int bigger=*num1>*num2?*num1:*num2;
    cout<<bigger<<endl;
}
**当模板特化之后，调用模板函数时，会优先匹配特性化后的函数模板。**
int a=1,b=2;
int *p=&a;
int *q=&b;
printBigger(a,b);//调用普通模板
printBigger(p,q); //调用特化模板，如果没有特化模板，普通模板也能匹配，但是模板特化，会优先匹配

3、类模板全特化与偏特化
上面说完了模板特化，那么什么是模板偏特化呢？
模板偏特化，得从类模板特化说起。因为函数模板没有偏特化！！！只有类模板才有偏特化。
再回过去看看上面的例子，模板特化就是指明模板的参数类型。上面的例子printBigger（）实际上是全特化，因为该函数模板有两个参数，特化之后，两个参数类型都定了，为int*，不再需要额外的模板参数形参T。偏特化，就是只指明了部分参数类型，还是需要额外的模板形参T，
如：

先看看类模板全特化
template<typename T>
class Test   //普通类模板
{
   public:
   T data;
   Test(T d):data(d){cout<<"普通类模板："<<data<<endl;}  
};
template<> 
class Test<char>  //全特化类模板
{
   public:
   char data;
   Test(char d):data(d){cout<<"特化类模板："<<data<<endl;} 
};
int main() {
    char a='A';
    Test<int> num(3);
    Test<char> ch(a);
   return 0;
}
输出为：
普通类模板：3
特化类模板：A

下面再看看类模板偏特化

template<typename T>
class Test  //普通类模板
{
   public:
   T data;
   Test(T d):data(d){cout<<"普通模板："<<data<<endl;}
};
template<typename T>
class Test<T*>  //只接收指针类型参数的偏特化类模板
{
   public:
   T* data;
   Test(T* d):data(d){cout<<"指针偏特化模板："<<*data<<endl;}  
};
template<typename T>
class Test<T&>  //只接收引用类型的偏特化模板
{
   public:
   T data;
   Test(T &d):data(d){cout<<"引用偏特化模板："<<data<<endl;}
};
int main() {
    int a=3;
    Test<int> num(a);
    Test<int*> pnum(&a);
    Test<int&> rnum(a);
   return 0;
}
输出如下：
普通模板：3
指针偏特化模板：3
引用偏特化模板：3

到这里，已经讲完了函数模板的特化以及类模板的全特化与偏特化。通过上面的例子，不知大家有没有明白普通模板、模板全特化与模板偏特化的区别？有以下几点可以帮助大家理解：
（1）无论时模板特化还是偏特化，都是相对于普通模板来说的
（2）声明普通模板时，需要用到类型参数T；所谓特化，要么是指明具体数据类型，如int，要么是指明参数格式，如指针，引用。如果特化后，不需要用到类型参数T，template<> 尖括号中类型参数为空，那么则是全特化，否则是偏特化
（3）从（2）可知，函数模板特化实际上是全特化，当然函数模板也不支持偏特化

4、总结于思考

函数模板只有全特化，类模板有全特化和偏特化
1、函数模板与函数模板全特化
template<typename T>
void func(T t)  //普通函数模板
{
//do something
}
template<>   //因为是全特化，所以这里不需要类型参数T
void func(int t) //全特化函数模板
{
//do something special
}
2、类模板全特化与偏特化
（1）类模板全特化
template<typename T>
class Test    //普通类模板
{
  //do something
};
template<>  //由于是全特化，不要模板类型T
class Test<int>    //全特化类模板，用int指明类实例类型
{
  //do something
};
（2）类模板偏特化有三种类型
类型一：
template<typename T1，typename T2>
class Test    //普通类模板
{
  //do something
};
template<typename T>  //由于是偏特化，两个类型指定了一个，还需要一个类型T
class Test<int,T>    //偏特化类模板，用int指明其中一个参数类型
{
  //do something
};
类型二：
template<typename T>
class Test    //普通类模板
{
  //do something
};
template<T>  //
class Test<T*>    //接收指针类型参数偏特化类模板，指明参数类型为指针
{
  //do something
};
template<T>  //
class Test<T&>    //接收引用类型参数偏特化类模板，指明参数类型为引用
{
  //do something
};
类型三：
template<typename T>
class Test    //普通类模板
{
  //do something
};
template<typename T>
class Test<vector<T>>    //偏特化，接收T实例化的vector对象作为实参
{
  //do something
};

思考：
（1）为什么要用模板？
让函数或者类能够适用不同的数据类型，函数或者类具有通用性。避免同样功能或结构的代码因为数据类型不同反复定义。（泛型编程）
（2）模板特化的意义？
编程的时候，我们一方面希望代码具有通用性，比如printBigger函数，我们希望对int 、double等类型都都适用。另一方面，我们又希望参数为某些类型时能够做一些特殊的处理，比如printBigger函数，当参数类型为int*，我们希望不是比较两个指针的大小而是比较指针指向对象的大小。由于模板特化之后，会优先匹配，故可以达到这样目的。
（3）函数模板全特化与函数重载的区别？
自己思考去吧~~~

参考文章：
【1】C++ 模板偏特化－来自STL的思考 https://wwwblogs/yyehl/p/7253254.html

更多推荐

C++STL迭代器实现原理之一：模板与模板特化