C++ 関数テンプレートの明示的特殊化とオーバーロード、何故２つある？

Question

今更気がついたのですが、C++の関数テンプレートを明示的特殊化した関数と、同じ名前の非テンプレートとしてオーバーロードした関数って、ほとんど同じものと思います。
微細な差はありますが、大差ないのでどちらか一方でも十分な気がしています。

#include <iostream>

// プライマリー・テンプレート
template<typename T>
void f(T)
{
    std::cout << "f<T>(T)\n";
}

// 明示的特殊化
template<>
void f<int>(int)
{
    std::cout << "F<int>(int)\n";
}

// オーバーロード
void f(int)
{
    std::cout << "f(int)\n";
}

int main()
{
    f(1.1);     // f<T>(T)
    f(1);       // f(int)
}

Bjarne Stroustrup著「C++の設計と進化」の476ページによると

　そこで私は、テンプレートを”特殊化”する仕組みが必要だと結論した。それは、テンプレートが一般的なオーバロードの仕組みを受け入れることによって、または、もっと特定の仕組みによって実現するだろう。私は特定の仕組みの方を選んだ。主な問題はCの不規則性だと思っていたのと、オーバロードを提案すると常に抗議の声の大合唱がわき起こるからだ。

この本は、この後「特定の仕組み」として「明示的特殊化」と思われる方法を解説しています。（C++当初の文法なので現在とはちょっと違う書き方になってますが、意味は「明示的特殊化」と思います。）

しかし、現在はオーバロードと明示的特殊化の両方がサポートされています。

もしかして、何か大きな使い勝手の差が両者にはあるのでしょうか？
そうではなく、C++の当初は明示的特殊化だけだったのが、やっぱりオーバ－ロードの方が便利ということでオーバーロードが導入され、互換性維持のため明示的特殊化が残されたということでしょうか？
はたまた他の理由でしょうか？

もし、ご存じの方がいらっしゃいましたら、是非教えて頂けると嬉しいです。
また、ご存知無い方も「私はこう推測する」等のご意見を貰えると有り難いです。

Answer 1

C++の関数テンプレートを明示的特殊化した関数と、同じ名前の非テンプレートとしてオーバーロードした関数って、ほとんど同じものと思います。

両者は明確に異なるものと解釈すべきかもしれません。下記説明ではいずれも「基本的には(非テンプレート)関数オーバーロードの利用」を推奨しています。

StackOverflow回答 Template Specialization VS Function Overloading：

Short story: overload when you can, specialise when you need to.
[...]

Herb Sutter氏記事 "Why Not Specialize Function Templates?"

Summary
[...] For another thing, function template specializations don't overload. This means that any specializations you write will not affect which template gets used, which runs counter to what most people would intuitively expect. After all, if you had written a nontemplate function with the identical signature instead of a function template specialization, the nontemplate function would always be selected because it's always considered to be a better match than a template. [...]

---

記事中で言及されているコード例：

template<class T>  // (a) (プライマリ)テンプレート
void f( T ) { std::puts("a"); }

template<class T>  // (b) 別のプライマリテンプレート, (a)のオーバーロード
void f( T* ) { std::puts("b"); }

template<>         // (c) テンプレート(b)の完全特殊化
void f<>(int*) { std::puts("c"); }

int *p = nullptr;
f( p );  // "c"を出力

b, c の定義順を入れ替えると...

template<class T>  // (a) (プライマリ)テンプレート
void f( T ) { std::puts("a"); }

template<>         // (c) テンプレート(a)の完全特殊化
void f<>(int*) { std::puts("c"); }

template<class T>  // (b) 別のプライマリテンプレート, (a)のオーバーロード
void f( T* ) { std::puts("b"); }

int *p = nullptr;
f( p );  // "b"を出力

詳細は記事に譲りますが、関数の解決プロセスではテンプレート関数の完全特殊化は無視され、(プライマリテンプレートの)関数オーバーロードのみが考慮されるため、このような結果となるようです。

Comments

[Chironian]

yohhoyさん、回答ありがとうございます。

うわっ、明示的特殊化の時もテンプレート・パラメータを「型推論」できちゃうのですね。これは知りませんでした。ま、これは余談です。

"Why Not Specialize Function Templates?"が言いたいことは、「より"特殊化"したものが選択される」がC++の一般的なルールだけど、関数テンプレートを明示的特殊化した場合は、"特殊化"していない方が選択されるケースがあるので、混乱するから使わない方が良いってことと理解しました。

確かにテンプレートってちょっと掴み所がない感じ（選択ルールが複雑過ぎて理解が追いつかない）から、できるだけ単純なまま使った方が良い。どうしても複雑な使い方が必要ならクラス・テンプレートのstatic関数を使えは良いよと書かれている印象です。

結局、「関数テンプレートの明示的特殊化」と「通常関数のオーバーロード」はできることは大差ないけど、使い方が簡単な「通常関数のオーバーロード」を使った方が安心ということでよさそうですね。

ありがとうございました。

Answer 2

そもそもオーバーロードと明示的特殊化って用途が違うと思うんですが・・・。

明示的特殊化はコンパイル時に定まる型情報・値によって分岐するものです。

template<typename CharType> constexpr CharType comma();
template<> constexpr char comma<char>() { return ','; }
template<> constexpr wchar_t comma<wchar_t>() { return L','; }
template<> constexpr char16_t comma<char16_t>() { return u','; }
template<> constexpr char32_t comma<char32_t>() { return U','; }

一方オーバーロードはコンパイル時に型が定まり実行時に値が決まるものに対して使います

int add(int a, int b){ return a + b; }
double add(double a, double b) { return a + b; }

確かに、オーバーロードを使って明示的特殊化みたいなことをすることはあります、御存知の通り、タグディスパッチですね(明示的特殊化がまれにMSVCでバグるので回避策としても)。
またその逆で明示的特殊化を使ってオーバーロードみたいなことをすることもあります(可変長引数と併用することでかなり近いことができる)。

しかしながらそれは、うっかりtemplateがチューリング完全になっちゃったようなもので、本来の意図とは違うと解釈しています。

Comments

[Chironian]

yumetodoさん、ご意見ありがとうございます。

> そもそもオーバーロードと明示的特殊化って用途が違うと思うんですが・・・。

質問文で引用しているように、この２つについてC++の始祖のStroustrup氏がどちらかを選択しようとしてますから、用途に大差がないのは間違いないと思いますよ。

でも、yumetodoさんのコードを見て「もしかして、何か大きな使い勝手の差が両者にはあるのでしょうか？」にあたるかもと感じました。

しかし、下記でも事実上同じことができそうです。
オーバーロードでも型に応じて適切なカンマを静的に選択して返却できます。

constexpr char comma2(char) { return ','; }
constexpr wchar_t comma2(wchar_t) { return L','; }
constexpr char16_t comma2(char16_t) { return u','; }
constexpr char32_t comma2(char32_t) { return U','; }

そして、以下の文は同等のマシン語コードが出るはず。

std::cout << comma<char>() << "\n";
std::cout << comma2(char(0)) << "\n";

これだけカバーできているなら「大差ない」の範疇にいれて良いように思います。

[yumetodo]

>用途に大差がないのは間違いないと思いますよ。

前後の文脈がわかりませんが、それは、オーバーロードに手を加えるか、別の文法(明示的特殊化)を導入するか、という選択の場面であって、用途が同じという話とはとれないと思います。

>下記でも事実上同じことができそうです

それは引数の値を無視しているタグディスパッチで、本来の用途からずれているのでは(うっかりtemplateがチューリング完全になっちゃったようなもの)

>以下の文は同等のマシン語コードが出るはず。

我々はsyntaxの話をしていたと思うんですが・・・

[Chironian]

> 前後の文脈がわかりませんが、それは、オーバーロードに手を加えるか、別の文法(明示的特殊化)を導入するか、という選択の場面であって、用途が同じという話とはとれないと思います。

引用文中に「そこで私は、テンプレートを”特殊化”する仕組みが必要だと結論した。」と書いてますよ？
やりたいことは"特殊化"で、そのための仕組みとしてオーバロードと明示的特殊化を上げています。
つまり、用途は同じ"特殊化"です。

> それは引数の値を無視しているタグディスパッチで、本来の用途からずれているのでは(うっかりtemplateがチューリング完全になっちゃったようなもの)

「(うっかりtemplateがチューリング完全になっちゃった」ように言語設計者が想定していなかった使い方という根拠はありますか？
C++の設計者って本当に頭がいいと感じてます。コロンブスの卵程度の発想で思いつけるタグディスパッチは、その人達が想定できないほど難しい使い方のような気がしません。

ところで、ごめんなさい。「明示的特殊化を使ってオーバーロードみたいなことをすることもあります(可変長引数と併用することでかなり近いことができる)」を見逃してました。
文脈的に「オーバーロードを使いたいけど使えないから明示的特殊化をした」例と先ほど気がつきました。
そこで、リンク先のコードをざっと見てみたのですが、template<>が見つからず明示的特殊化をしているコードを見つけることができませんでした。

[yumetodo]

>見つけることができませんでした。

あああ、何を書いているんだろう。それはオーバーロードを使っている例でしたね、あやややや。