Симуляция частичной специализации

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 {

 //…

};