C++類模板特化與繼承使用說明書，新手也能get
一、類模板特化
1.特化的實現(xiàn)
你可以為特定類型提供類模板的替代實現(xiàn)。例如，你可能認為 const char 類型（C 風格字符串）的 Grid 行為沒有意義。Grid<const char> 將在 vector<vector<optional<const char*>>> 中存儲其元素?？截悩?gòu)造函數(shù)和賦值運算符將執(zhí)行這些 const char 指針類型的淺拷貝。對于 const char，進行深拷貝字符串可能更有意義。最簡單的解決方案是為 const char 編寫一個專門的實現(xiàn)，將它們轉(zhuǎn)換為 C++ 字符串，并存儲在 vector<vector<optional<string>>> 中。
模板的替代實現(xiàn)稱為模板特化。你可能會發(fā)現(xiàn)其語法初看有些奇怪。當你編寫類模板特化時，你必須指定這是模板，并且你正在為特定類型編寫模板的版本。以下是 Grid 的 const char
export module grid:string;
// 當使用模板特化時，原始模板也必須可見。
import :main;
export template <>
class Grid<const char*> {
public:
explicit Grid(size_t width = DefaultWidth, size_t height = DefaultHeight);
virtual ~Grid() = default;
// 明確默認拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符。
Grid(const Grid& src) = default;
Grid& operator=(const Grid& rhs) = default;
// 明確默認移動構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符。
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類型變量，例如 T，你直接使用 const char* 和字符串。此時一個明顯的問題是，為什么這個類仍然是模板。即，以下語法有什么用途？
template <> class Grid<const char*>這種語法告訴編譯器，這個類是 Grid 類的 const char* 特化。假設(shè)你沒有使用這種語法，而是嘗試編寫如下代碼：
class Grid編譯器不會允許你這樣做，因為已經(jīng)存在一個名為 Grid 的類模板（原始類模板）。只有通過特化，你才能重用這個名稱。特化的主要好處是它們對用戶來說可以是不可見的。當用戶創(chuàng)建 int 或 SpreadsheetCells 的 Grid 時，編譯器會從原始 Grid 模板生成代碼。當用戶創(chuàng)建 const char* 的 Grid 時，編譯器使用 const char* 特化。這一切都可以在“幕后”進行。
2.主模塊接口文件
主模塊接口文件簡單地導入并導出兩個模塊接口分區(qū)：
export module grid;
export import :main;
export import :string;特化可以按照以下方式進行測試：
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 };當你特化一個模板時，你不會“繼承”任何代碼；特化不像派生。你必須重寫類的整個實現(xiàn)。沒有要求你提供具有相同名稱或行為的方法。例如，const char* 的 Grid 特化實現(xiàn)了 at() 方法，返回 optional<string>，而不是 optional<const char*>。事實上，你可以編寫一個與原始類完全不相關(guān)的完全不同的類。當然，這會濫用模板特化功能，如果沒有充分理由，你不應(yīng)該這樣做。
下面是 const char* 特化的方法實現(xiàn)。與模板定義中不同，你不需要在每個方法定義前重復 template<> 語法。
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));
}二、從類模板派生
派生自類模板
您可以從類模板繼承。如果派生類從模板本身繼承，它也必須是一個模板。另外，您可以從類模板的特定實例繼承，在這種情況下，您的派生類不需要是一個模板。
作為前者的一個例子，假設(shè)您決定通用的 Grid 類沒有提供足夠的功能來用作游戲棋盤。具體來說，您希望為游戲棋盤添加一個 move() 方法，將棋子從棋盤上的一個位置移動到另一個位置。以下是 GameBoard 模板的類定義：
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);
};這個 GameBoard 模板派生自 Grid 模板，從而繼承了所有其功能。您不需要重寫 at()、getHeight() 或任何其他方法。您也不需要添加拷貝構(gòu)造函數(shù)、operator= 或析構(gòu)函數(shù)，因為您在 GameBoard 中沒有任何動態(tài)分配的內(nèi)存。繼承語法看起來很正常，除了基類是 Grid<T>，而不是 Grid。這種語法的原因是 GameBoard 模板并不真正從通用的 Grid 模板派生。相反，GameBoard 模板的每個實例化都派生自相同類型的 Grid 實例化。
例如，如果您使用 ChessPiece 類型實例化一個 GameBoard，那么編譯器也會為 Grid<ChessPiece> 生成代碼。: public Grid<T> 語法表示這個類繼承自對于 T 類型參數(shù)有意義的任何 Grid 實例化。請注意，盡管一些編譯器不強制執(zhí)行，但 C++ 名稱查找規(guī)則要求您使用 this 指針或 Grid<T>:: 來引用基類模板中的數(shù)據(jù)成員和方法。因此，我們使用 Grid<T>::DefaultWidth 而不是僅僅使用 DefaultWidth。以下是構(gòu)造函數(shù)和 move() 方法的實現(xiàn)：
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(); // 重置源單元
// 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：當然，如果您想重寫 Grid 中的方法，您必須在 Grid 類模板中將它們標記為虛擬的。
三、繼承與特化
特性 | 繼承 | 特化 |
代碼復用？ | 是：派生類包含所有基類的數(shù)據(jù)成員和方法。 | 否：您必須在特化中重寫所有所需代碼。 |
名稱復用？ | 否：派生類名稱必須與基類名稱不同。 | 是：特化必須與原始模板具有相同的名稱。 |
支持多態(tài)性？ | 是：派生類的對象可以代替基類的對象。 | 否：每個類型的模板實例化都是不同的類型。 |
注意：使用繼承來擴展實現(xiàn)和實現(xiàn)多態(tài)性。使用特化來為特定類型定制實現(xiàn)。
