C++类模板特化与继承使用说明书,新手也能get

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类模板特化

特化的实现

你可以为特定类型提供类模板的替代实现。例如，你可能认为 const char* 类型（C 风格字符串）的 Grid 行为没有意义。Grid<const char*> 将在 vector<vector<optional<const char*>>> 中存储其元素。拷贝构造函数和赋值运算符将执行这些 const char* 指针类型的浅拷贝。对于 const char*，进行深拷贝字符串可能更有意义。最简单的解决方案是为 const char* 编写一个专门的实现，将它们转换为 C++ 字符串，并存储在 vector<vector<optional<string>>> 中。模板的替代实现称为模板特化。你可能会发现其语法初看有些奇怪。当你编写类模板特化时，你必须指定这是模板，并且你正在为特定类型编写模板的版本。以下是 Grid 的 const char* 特化的语法。在此实现中，原始的 Grid 类模板移至名为 main 的模块接口分区，而特化则在名为 string 的模块接口分区中。

export module grid:string;

// 当使用模板特化时，原始模板也必须可见。
import :main;

export template <>
class Grid<const char*> {
public:
    explicit Grid(size_t width = DefaultWidth, size_t height = DefaultHeight);
    virtual ~Grid() = default;
    // 明确默认拷贝构造函数和赋值运算符。
    Grid(const Grid& src) = default;
    Grid& operator=(const Grid& rhs) = default;
    // 明确默认移动构造函数和赋值运算符。
    Grid(Grid&& src) = default;
    Grid& operator=(Grid&& rhs) = default;

    std::optional<std::string>& at(size_t x, size_t y);
    const std::optional<std::string>& at(size_t x, size_t y) const;

    size_t getHeight() const { return m_height; }
    size_t getWidth() const { return m_width; }

    static const size_t DefaultWidth { 10 };
    static const size_t DefaultHeight { 10 };

private:
    void verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const;
    std::vector<std::vector<std::optional<std::string>>> m_cells;
    size_t m_width { 0 }, m_height { 0 };
};

注意，在特化中你不使用任何类型变量，例如 T，你直接使用 const char* 和字符串。此时一个明显的问题是，为什么这个类仍然是模板。即，以下语法有什么用途？

template <> class Grid<const char*>

这种语法告诉编译器，这个类是 Grid 类的 const char* 特化。假设你没有使用这种语法，而是尝试编写如下代码：

class Grid

编译器不会允许你这样做，因为已经存在一个名为 Grid 的类模板（原始类模板）。只有通过特化，你才能重用这个名称。特化的主要好处是它们对用户来说可以是不可见的。当用户创建 int 或 SpreadsheetCells 的 Grid 时，编译器会从原始 Grid 模板生成代码。当用户创建 const char* 的 Grid 时，编译器使用 const char* 特化。这一切都可以在“幕后”进行。

主模块接口文件

主模块接口文件简单地导入并导出两个模块接口分区：

export module grid;
export import :main;
export import :string;

特化可以按照以下方式进行测试：

Grid<int> myIntGrid; // 使用原始 Grid 模板。
Grid<const char*> stringGrid1 { 2, 2 }; // 使用 const char* 特化。
const char* dummy { "dummy" };
stringGrid1.at(0, 0) = "hello";
stringGrid1.at(0, 1) = dummy;
stringGrid1.at(1, 0) = dummy;
stringGrid1.at(1, 1) = "there";
Grid<const char*> stringGrid2 { stringGrid1 };

当你特化一个模板时，你不会“继承”任何代码；特化不像派生。你必须重写类的整个实现。没有要求你提供具有相同名称或行为的方法。例如，const char* 的 Grid 特化实现了 at() 方法，返回 optional<string>，而不是 optional<const char*>。事实上，你可以编写一个与原始类完全不相关的完全不同的类。当然，这会滥用模板特化功能，如果没有充分理由，你不应该这样做。

下面是 const char* 特化的方法实现。与模板定义中不同，你不需要在每个方法定义前重复 template<> 语法。

Grid<const char*>::Grid(size_t width, size_t height)
    : m_width { width }, m_height { height } {
    m_cells.resize(m_width);
    for (auto& column : m_cells) {
        column.resize(m_height);
    }
}

void Grid<const char*>::verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const {
    if (x >= m_width) {
        throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", x, m_width) };
    }
    if (y >= m_height) {
        throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", y, m_height) };
    }
}

const std::optional<std::string>& Grid<const char*>::at(size_t x, size_t y) const {
    verifyCoordinate(x, y);
    return m_cells[x][y];
}

std::optional<std::string>& Grid<const char*>::at(size_t x, size_t y) {
    return const_cast<std::optional<std::string>&>(std::as_const(*this).at(x, y));
}

从类模板派生

派生自类模板

您可以从类模板继承。如果派生类从模板本身继承，它也必须是一个模板。另外，您可以从类模板的特定实例继承，在这种情况下，您的派生类不需要是一个模板。

作为前者的一个例子，假设您决定通用的 Grid 类没有提供足够的功能来用作游戏棋盘。具体来说，您希望为游戏棋盘添加一个 move() 方法，将棋子从棋盘上的一个位置移动到另一个位置。以下是 GameBoard 模板的类定义：

import grid;

export template <typename T>
class GameBoard : public Grid<T> {
public:
    explicit GameBoard(size_t width = Grid<T>::DefaultWidth, size_t height = Grid<T>::DefaultHeight);
    void move(size_t xSrc, size_t ySrc, size_t xDest, size_t yDest);
};

这个 GameBoard 模板派生自 Grid 模板，从而继承了所有其功能。您不需要重写 at()、getHeight() 或任何其他方法。您也不需要添加拷贝构造函数、operator= 或析构函数，因为您在 GameBoard 中没有任何动态分配的内存。继承语法看起来很正常，除了基类是 Grid<T>，而不是 Grid。这种语法的原因是 GameBoard 模板并不真正从通用的 Grid 模板派生。相反，GameBoard 模板的每个实例化都派生自相同类型的 Grid 实例化。例如，如果您使用 ChessPiece 类型实例化一个 GameBoard，那么编译器也会为 Grid<ChessPiece> 生成代码。: public Grid<T> 语法表示这个类继承自对于 T 类型参数有意义的任何 Grid 实例化。请注意，尽管一些编译器不强制执行，但 C++ 名称查找规则要求您使用 this 指针或 Grid<T>:: 来引用基类模板中的数据成员和方法。因此，我们使用 Grid<T>::DefaultWidth 而不是仅仅使用 DefaultWidth。以下是构造函数和 move() 方法的实现：

template <typename T>
GameBoard<T>::GameBoard(size_t width, size_t height) : Grid<T> { width, height } { }

template <typename T>
void GameBoard<T>::move(size_t xSrc, size_t ySrc, size_t xDest, size_t yDest) {
    Grid<T>::at(xDest, yDest) = std::move(Grid<T>::at(xSrc, ySrc));
    Grid<T>::at(xSrc, ySrc).reset(); // 重置源单元
    // 或者：
    // this->at(xDest, yDest) = std::move(this->at(xSrc, ySrc));
    // this->at(xSrc, ySrc).reset();
}

您可以按以下方式使用 GameBoard 模板：

GameBoard<ChessPiece> chessboard { 8, 8 };
ChessPiece pawn;
chessBoard.at(0, 0) = pawn;
chessBoard.move(0, 0, 0, 1);

注意：当然，如果您想重写 Grid 中的方法，您必须在 Grid 类模板中将它们标记为虚拟的。

继承与特化

特性	继承	特化
代码复用？	是：派生类包含所有基类的数据成员和方法。	否：您必须在特化中重写所有所需代码。
名称复用？	否：派生类名称必须与基类名称不同。	是：特化必须与原始模板具有相同的名称。
支持多态性？	是：派生类的对象可以代替基类的对象。	否：每个类型的模板实例化都是不同的类型。

注意：使用继承来扩展实现和实现多态性。使用特化来为特定类型定制实现。