«Симуляция частичной специализации»

Павел Кузнецов Симуляция частичной специализации

Введение

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.

Техника симуляции

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.

Использование

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.

Метафункция IsPointer‹T›

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.

Симуляция частичной специализации по виду аргумента шаблона

Использовать полученную метафункцию IsPointer‹T› для симуляции частичной специализации по виду аргумента шаблона можно примерно следующим образом:

// Реализация общего случая: T не является указателем.

template‹class T›

class C_ {

 //…

};

// Реализация случая, когда T является указателем.

template‹class T›

class C_ptr_ {

 //…

};

// Traits для случая, когда T является указателем

template‹bool T_is_ptr›

struct CTraits {

 template‹class T›

 struct Args {

  typedef C_ptr_‹T› Base;

 };

};

// Traits для случая, когда T не является указателем.

template‹›

struct CTraits‹false› {

 template‹class T› struct Args {

  typedef C_‹T› Base;

 };

};

// Класс, предназначенный для использования клиентами.

template‹class T›

class C: public CTraits‹IsPointer‹T›::value›::template Args‹T›::Base {

 //…

};

Ограничения

Приведенная техника симуляции частичной специализации обладает некоторыми ограничениями по сравнению с «настоящей» частичной специализацией шаблонов классов.

Одним из наиболее заметных ограничений является то, что дискриминирующие функции, применяющиеся при создании многих метафункций, требуют объявления переменной, поэтому не работают с абстрактными классами. Например, в случае с IsPointer‹T› объявляется статическая переменная t_. Несмотря на то, что ее определение не требуется, специализация шаблона IsPointer‹T› абстрактным классом приведет к ошибке компиляции. По этой же причине приходится предоставлять специализации шаблонов метафункций для void.

Другим ограничением является то, что некоторые метафункции, построенные с использованием дискриминирующих функций, например, IsConst‹T›, IsVolatile‹T›, IsReference‹T› и т.п., некорректно работают в случае, если T имеет квалификаторы и const и volatile одновременно (например, const volatile int&). Существующая реализация метафункций IsConst‹T› и IsVolatile‹T› без «настоящей» частичной специализации сводится к использованию соответствующих дискриминирующих функций:

TrueType const_discriminator(const volatile void*);

FalseType const_discriminator(volatile void*);

template‹class T›

struct IsConst {

private:

 static T t_;

public:

 enum {value = sizeof(const_discriminator(&t_)) == sizeof(TrueType)};

};

template‹›

class IsConst‹void› {

public:

 enum {value = false};

};

TrueType volatile_discriminator(const volatile void*);

FalseType volatile_discriminator(const void*);

template‹class T›

struct IsVolatile {

private:

 static T t_;

public:

 enum {value = sizeof(volatile_discriminator(&t_)) – sizeof(TrueType)};

};

template‹›

class IsVolatile‹void› {

public:

 enum {value = false};

};

Очевидно, что эти метафункции не работают, если в качестве аргумента им передан тип имеющий как const, так и volatile квалификацию. Реализация IsReference‹T› основывается на том факте, что добавление cv-квалификации к ссылке игнорируется:

template‹class T›

class IsReference {

private:

 typedef T const volatile cv_t_;

public:

 enum {value = !IsConst‹cv_t_›::value || !IsVolatile‹cv_t_›::value};

};

template‹› class IsReference‹void› {

public:

 enum {value = false};

};

Так как метафункция IsReference‹T› использует метафункции IsConst‹T› и IsVolatile‹T›, естественно, что она имеет те же недостатки.

ПРИМЕЧАНИЕ Описание и анализ других полезных метафункций, основанных на дискриминирующих функциях, выходит за рамки данной статьи и оставляется в качестве упражнения читателю. Например, можно построить метафункцию IsDerived‹T, Base›, позволяющую специализировать шаблоны для наследников определенного класса.

Еще одним достаточно важным ограничением техник симуляции частичной специализации является то, что еще никому не удавалось (и вряд ли удастся), например, получить тип T, имея T&. С использованием «настоящей» частичной специализации эта задача решается тривиально:

template‹class T›

struct RemoveReference {

 typedef T Type;

};

template‹class T›

struct RemoveReference‹T&› {

 typedef T Type;

};

Заключение

Описанная техника позволяет использовать преимущества частичной специализации шаблонов классов даже в случае отсутствия соответствующей поддержки со стороны компилятора. Комбинация приведенной методики с метафункциями при необходимости позволяет описывать достаточно сложные условия специализации шаблонов.

Единственным «серьезным» требованием к компилятору является наличие реализации шаблонов членов классов. Симуляция частичной специализации была проверена на следующих компиляторах:

•Microsoft Visual C++ 7.0 aka .NET

•Microsoft Visual C++ 6.0 SP4, SP5

•Intel C++ Compiler 4.0, 5.1, 6.0

•Borland C++ Command-line Compiler 5.51, 5.6

•GNU GCC 2.95.3-5

•Comeau C++ Compiler Online Version (compiled only)

Хотя последние четыре и поддерживают частичную специализацию, иногда может быть полезным прибегать к технике симуляции в случае одновременного использования нескольких компиляторов, один из которых «не дорос» до частичной специализации. При этом удобно, если использование условной компиляции можно минимизировать.

Комментарии:

template‹class TRet, class TP1›

class CDelegate1 {

 //…

};

template‹class TP1›

class CDelegate1‹bool, TP1› {

 //…

};

template‹class TRet, class TP1, class TP2›

class CDelegate2 {

 //…

};

template‹class TP1, class TP2›

class CDelegate2‹bool, TP1, TP2› {

//…

};

и т.д…

... и статической T не надо

А мне как то больше понравился такой вариант (где нет статического T _t):

template‹class T›

class IsPointer {

private:

 struct TrueType { char dummy_ [1]; };

 struct FalseType { char dummy_ [2]; };

 struct PointerShim { PointerShim(const volatile void*); };

 static TrueType ptr_discriminator(PointerShim);

 static FalseType ptr_discriminator(…);

 static T rett();

public:

 enum {value = sizeof(ptr_discriminator(rett())) == sizeof(TrueType)};

};

template‹›

class IsPointer‹void› {

public:

 enum {value = false};

};

Кстати, еще неплохо было бы дабавить IsArray, который таки почти смог добить Андрей Тарасевич в одном из топиков форума С++

PS Павел, кстати, эту же статью от вас я уже видел в каком то online издании… Или я ошибаюсь?

А ссылку на boost.org?

Почему не указал ссылку на boost.org? Там уж намного больше готовых функций, чем ты привёл.

Оглавление