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特殊化¶

テンプレートでは実引数に応じて関数やクラスを生成します。

// 関数テンプレート
template <typename T>
T Sum(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 関数テンプレートの関数の呼び出し
Sum<int>(1, 2);

Sum<int>(1, 2) という関数テンプレートの関数の呼び出しによって T が int である関数が必要と判断され、次の関数が生成されます。

int Sum(int a, int b) {
    return a + b;
}

このようにテンプレートを使用する箇所において、関数テンプレートから関数を生成することおよびクラステンプレートからクラスを生成することを特殊化 (または暗黙的インスタンス化) といいます。

特殊化はコンパイラによって行われるため、ヘッダファイルで関数テンプレートを使用する場合にはそのヘッダファイルで定義も行います。

sum.h

#ifndef SUM_H_
#define SUM_H_

template <typename T>
inline T Sum(T a, T b) {  // inline 指定が必要
    return a + b;
}

#endif  // SUM_H_

main.cc

#include <iostream>

#include "sum.h"

int main() {
    std::cout << Sum(1, 2) << std::endl;
    return 0;
}

テンプレートの明示的インスタンス化

テンプレートを使用する箇所で関数やクラスを生成する代わりに、ソースファイルで明示的に関数やクラスを生成することでヘッダファイルでは宣言だけ行うことは可能ではあります。

sum.h

#ifndef SUM_H_
#define SUM_H_

template <typename T>
T Sum(T a, T b);  // 宣言だけ行う (inline もつけない)

#endif  // SUM_H_

sum.cc

#include "sum.h"

// 関数テンプレートの定義
template <typename T>
T Sum(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 明示的インスタンス化
template int Sum<int>(int, int);

こうした構成にするとヘッダファイルでテンプレートが提供されていても使用可能な型はソースファイルで明示的な生成を行う型のみとなってしまいます。たとえば Sum<double>(double, double) は生成されていないため Sum(1.2, 3.4) のように関数テンプレートの関数を呼び出すとリンクエラーになります。

こうした問題を避けるためには、ヘッダファイルでは関数テンプレートをやめてオーバーロードされた関数を提供し、ソースファイルで関数テンプレートを使用します。

sum.h

#ifndef SUM_H_
#define SUM_H_

int Sum(int a, int b);
double Sum(double a, double b);

#endif  // SUM_H_

sum.cc

#include "sum.h"

// 実装に関数テンプレートを使用
template <typename T>
T SumImpl(T a, T b) {
    return a + b;
}

int Sum(int a, int b) {
    return SumImpl(a, b);
}

double Sum(double a, double b) {
    return SumImpl(a, b);
}

完全特殊化¶

特殊化によって関数テンプレートやクラステンプレートから関数やクラスを生成する代わりに、通常の関数やクラスを使用するように指定することで特定のテンプレート引数に対する挙動を変更することができます。これを完全特殊化 (または明示的特殊化) といいます。

関数テンプレートの完全特殊化は次のようにします。

template <typename T>
T DoSomething(T a, T b) {
    return a + b;
}

template <>
double DoSomething<double>(double a, double b) {
    return a * b;
}

std::cout << DoSomething(2, 3) << std::endl;  // 5
std::cout << DoSomething(2.0, 3.0) << std::endl;  // 6

関数の前に template <> を付けて完全特殊化を行うことを指定し、関数名の後に < ... > で対象となるテンプレート引数を指定します。

クラステンプレートの完全特殊化も同様です。

template <typename T>
class Array {
 public:
    explicit Array(int size)
        : size_(size),
          data_(new T[size_]) {}

    ~Array() {
        delete[] data_;
    }

    int Size() const {
        return size_;
    }

 private:
    const int size_;
    T* data_;
};

template <>
class Array<bool> {
 public:
    explicit Array(int size)
        : size_(size),
          data_size_((size - 1) / 8 + 1),
          data_(new uint8_t[data_size_]) {}

    ~Array() {
        delete[] data_;
    }

    int Size() const {
        return size_;
    }

 private:
    const int size_;
    const int data_size_;
    uint8_t* data_;
};

この例では8個の bool 値を1個の uint8_t で扱って省メモリ化するために、 bool に対する完全特殊化を行っています。

部分特殊化¶

特定のテンプレート引数に対して特殊化で使用する関数テンプレートやクラステンプレートを別のテンプレートに変更することができます。これを部分特殊化といいます。

詳細はテンプレートの部分特殊化 - cppreference.com を参照してください。