C++模板特化、默认参数与SFINAE相关技术咨询

示例代码 #

#include <iostream>

template<typename T, typename U = void>
struct foo {
    static void apply() {
        std::cout << "a: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<typename U>
struct foo<int, U> {
    static void apply() {
        std::cout << "b: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<typename U>
struct foo<double, U> {
    static void apply() {
        std::cout << "c: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<>
struct foo<double, double> {
    static void apply() {
        std::cout << "d: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<typename T>
struct foo<T, std::enable_if_t<std::is_same_v<T, char>>> {
    static void apply() {
        std::cout << "e: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<>
struct foo<short> {
    static void apply() {
        std::cout << "f: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

template<>
struct foo<unsigned long, void> {
    static void apply() {
        std::cout << "g: " << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

int main() {
    foo<long>::apply();
    foo<long, long>::apply();
    foo<int>::apply();
    foo<int, int>::apply();
    foo<double>::apply();
    foo<double, float>::apply();
    foo<double, double>::apply();
    foo<char>::apply();
    foo<short>::apply();
    foo<unsigned long>::apply();

    return 0;
}

问题解答 #

1. 基模板默认模板参数在特化中的传递规则 #

基模板的默认模板参数仅在主模板的实例化阶段生效，偏特化或全特化本身不会继承主模板的默认参数，但用户实例化模板时，如果省略了带默认值的参数，会用主模板的默认值填充后匹配对应的特化。

以foo<int, U>这个偏特化为例：

• 当用户写foo<int>时，实际等价于foo<int, void>（主模板的U默认值为void），此时会匹配template<typename U> struct foo<int, U>这个偏特化，因为U可以被推导为void。
• 偏特化的模板参数列表是独立的，它的U是自身定义的模板参数，和主模板的U默认值没有直接继承关系，只是实例化时借助主模板的默认值完成参数填充，进而匹配到对应特化。

C++标准引用：
根据[temp.spec.partial]第3段：

A partial specialization is a template specialization that is declared with template parameters that are fewer than or different from those of the primary template. The primary template's default arguments are not inherited by a partial specialization.

翻译：偏特化是模板特化的一种，其声明的模板参数比主模板少或不同。主模板的默认参数不会被偏特化继承。

2. enable_if相关偏特化的匹配逻辑 #

这个特化template<typename T> struct foo<T, std::enable_if_t<std::is_same_v<T, char>>>不会和主模板冲突，且被判定为更特化的原因如下：

1. SFINAE机制过滤无效实例：
   当T不是char时，std::is_same_v<T, char>为false，std::enable_if_t<false>是无效类型，此时这个偏特化会被SFINAE（替换失败不是错误）规则排除，不会参与匹配。只有当T是char时，std::enable_if_t<true>推导为void，这个特化才会成为有效候选。
2. 更特化的判定规则：
   当T=char时，该特化的实参是<char, void>，对比主模板的<T, U>，这个特化对模板参数的限制更严格：它要求第一个参数必须是char，第二个参数必须是void；而主模板允许任意T和U。根据模板特化的匹配规则，更特化的版本会优先被选中。

C++标准引用：
根据[temp.func.order]第2段（适用于类模板特化的更特化判定）：

Partial ordering selects which of two function templates is more specialized than the other by transforming each template in turn and performing template argument deduction using the function type. The deduction determines whether one template is more specialized than the other. If so, the more specialized template is the one chosen by the partial ordering process.

对于类模板特化，更特化的判定逻辑类似：如果特化的模板参数列表能被主模板的参数列表覆盖，但主模板的参数列表不能反向覆盖特化的，那么特化更特化。

另外，[temp.deduct.partial]第5段规定了SFINAE在模板参数推导中的作用：

The substitution occurs in all types and expressions that are used in the function type and in template parameter declarations. The substitution proceeds in lexical order and stops at the first substitution that causes a deduction failure.

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Blair Davidson