C++特化

一、模板与特化基础概念

（一）模板（Template）

模板是 C++ 的泛型机制，例如：

template <typename T>
struct Foo {};

这是“主模板（Primary Template）”，可被所有类型实例化。

模板的本质： 在编译期根据参数（类型 / 常量 / 模板）生成代码。

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二、特化是什么（Specialization）

特化 = 为模板在某些特定类型下提供特别版本。

其目的通常是：

• 优化某些类型的性能
• 更改特定类型的行为
• 让泛型容器（如 unordered_map）支持自定义类型

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三、完全特化（Full Specialization）

（一）定义

完全特化表示：模板参数已经完全确定，不包含任何模板参数变量。

例如：

template <>
struct Foo<int> {
    // 专门给 Foo<int> 的实现
};

特点：

• template<> 表示“这是特化，不是主模板”
• 模板参数列表为空，因为类型已完全确定
• 不再含有 T/U 等待替换的模板参数
• 完全特化会覆盖主模板对该类型的默认行为

（二）在标准库中的唯一合法方式

我们可以对 std::hash<T> 做完全特化：

template <>
struct std::hash<MyType> {
    size_t operator()(const MyType&) const { ... }
};

这是唯一被标准允许的方式。

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四、部分特化（Partial Specialization）

（一）定义

部分特化表示：部分参数已确定，但仍有模板参数存在。

示例 1：对所有指针类型的部分特化：

template <typename T>
struct Foo<T*> {   // T* 仍然是模板，但限定了必须是指针类型
};

示例 2：两个参数相同的情况：

template <typename T, typename U>
struct Bar {};

template <typename T>
struct Bar<T, T> {};

特点：

• <> 里仍有模板参数
• 针对一类类型，而非单一类型
• 是语法允许但标准对 std::* 不允许的行为

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五、标准库为何禁止对 std 模板进行部分特化

（一）标准规定（必须遵守）

C++ 标准明确规定：

用户可以完全特化标准库模板，但不能部分特化。

原因：

1. 防止破坏标准库内部行为
2. 保证 ABI 与一致性
3. 避免用户误操作影响整个程序逻辑

（二）语法可以写，标准禁止使用

语法上能写：

template <typename T>
struct std::hash<T*> {};  // 语法可通过

但标准规定这是 未定义行为（UB）。

libstdc++ / libc++ 通常在内部阻止这种行为，使其无法链接或编译。

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六、为什么 unordered_map 能用自定义类型作为 key

对于：

std::unordered_map<AggregateKey, AggregateValue> ht;

unordered_map 的模板参数如下：

template <
    class Key,
    class T,
    class Hash = std::hash<Key>,
    class KeyEqual = std::equal_to<Key>
>
class unordered_map;

也就是说：

• 哈希函数默认是 std::hash<Key>
• 相等比较默认是 std::equal_to<Key>，即 key 的 operator==

只要提供：

1. operator==
2. std::hash<Key> 的完全特化

unordered_map 就能正常使用该类型作为 key。

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七、AggregateKey 为什么合法（BusTub 代码）

（一）它实现了 operator==

auto operator==(const AggregateKey &other) const -> bool { ... }

用于处理哈希冲突时判断 key 是否“相等”。

（二）提供了 std::hash<AggregateKey> 的完全特化

template <>
struct std::hash<AggregateKey> {
    size_t operator()(const AggregateKey&) const { ... }
};

（三）满足 unordered_map 的全部要求

因此：

std::unordered_map<AggregateKey, AggregateValue> ht_;

完全合法。

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八、unordered_map 如何调用 hash 特化

（一）hasher 的类型

unordered_map 内部保存了一个哈希器：

Hash hasher_;   // Hash = std::hash<Key>

（二）插入、查找流程

当执行：

ht[key];

内部逻辑等价于：

// 1. 调用哈希函数
size_t hash_value = hasher_(key);  
// ----> 调用的就是特化的 std::hash<AggregateKey>::operator()!!

// 2. 定位桶
size_t bucket = hash_value % bucket_count;

// 3. 在桶中用 operator== 查找是否已有 key
if (key_equal_(stored_key, key)) { ... }

// 4. 插入或返回引用

（三）因此 hash 特化会在以下操作中被调用

• 插入元素
• 查找元素
• 更新元素
• 删除元素
• unordered_map 自动 rehash

每一次操作，几乎都要调用哈希函数。

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九、为什么 “template<>” 不写参数也合法？

因为：

• 这是 完全特化
• 模板参数已经完全固定（如 std::hash<AggregateKey>）
• 所以 template<> 只是标记“我不是主模板，是特化版本”

例如：

template <>
struct hash<AggregateKey> { ... };

没有参数，因为 模板已经没有剩余的未确定项了。

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十、部分特化 vs 完全特化：对比总结

类型	模板形式	是否允许用于 std 模板	典型用途
主模板	template<class T> struct A {};	标准库内部定义	通用实现
完全特化	template<> struct A<int> {};	✔ 允许	为某类型写特别行为
部分特化	template<class T> struct A<T*> {};	❌ 标准禁止	针对一类类型

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十一、知识体系

模板系统
│
├── 主模板（primary template）
│     └── 最通用，处理所有类型
│
├── 完全特化（full specialization）✔
│     ├── 不含模板参数
│     ├── 针对一个确定类型
│     └── 唯一允许特化 std::hash 的方式
│
└── 部分特化（partial specialization）✘（std 中禁止）
      ├── 仍含模板参数
      ├── 针对一类类型（如 T*）
      └── 会破坏标准库一致性，被禁止

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十三、模板参数的三大类别

模板不仅仅可以“针对不同类型”，还可以接受其他编译期参数。

（一）类型模板参数（Type Template Parameters）

最常见：

template <typename T>
struct Foo {};

作用： 针对不同类型生成不同代码。

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（二）非类型模板参数（Non-type Template Parameters）

不是类型，而是 编译期常量：

template <int N>
struct Array {
    int data[N];
};

也可以是：

• 指针
• 引用
• 枚举
• 字面量常量
• 指向函数的指针
• 指向成员的指针
• C++17 的 template <auto>（可以推导类型）

示例：

template <auto V>
struct Constant { };

用途： 针对不同编译期值生成不同代码（不是类型差异）。

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（三）模板模板参数（Template Template Parameters）

模板也能接收“另一个模板”作为参数：

template <template<typename> class Container>
struct Wrapper {};

使用：

Wrapper<std::vector> w;

用途： 说明模板本身也能作为参数。

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十四、typename 的作用与意义

typename 有两个截然不同的用途：

（一）在模板参数列表中，代表“类型参数”

与 class 完全等价：

template <typename T>
template <class T>

二者无差别。

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（二）用于指明“依赖类型名称”（dependent type）

当访问依赖于模板参数的类型时，例如：

T::value_type

编译器不能判断这是类型还是成员变量，因此必须写：

typename T::value_type x;

否则无法通过语法解析。

用途： 告诉编译器这是一个类型，而不是变量或静态成员。

这是模板语法最关键的部分之一。

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十五、模板本质

模板的本质是：

在编译期根据类型 / 常量 / 模板参数生成具体代码（代码生成系统）。

因此它的能力远不止“针对不同类型”。

模板同时支持：

1. 不同类型
2. 不同编译期常量
3. 不同模板

并且这些能力组合起来构成了 C++ 模板元编程（TMP）的基础。

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十六、总结

1. 特化是为某个类型（或类型模式）写特殊版本。

2. 完全特化参数已定；部分特化只定一部分。

3. 标准允许完全特化 std::hash<T>，禁止部分特化。

4. unordered_map 必须要：

   • 可哈希（std::hash<Key>）
   • 可比较（operator==）

5. BusTub 的 AggregateKey 同时提供这两个，所以合法。

6. unordered_map 在各种操作中都会自动调用特化的 hash。

7. typename 用于：

   • 声明类型模板参数（等价于 class）
   • 标记依赖类型（必须写 typename）

8. 模板不仅针对类型，还能接受：

   • 编译期常量（非类型模板参数）
   • 模板（模板模板参数）

9. 模板是完整的编译期代码生成系统，不只是“泛型类型”。