特化标准库中的类模板

以std::map和std::less作为载体说明如何特化标准库中的类模板。

std::map容器允许提供一个自定义的比较器。默认行为是让std::map使用一个模板类std::less<>，使用<运算符来比较键。如果想存储一个不能使用<进行比较的类型，可以为此类型特化std::less。例如，假设有一个Person类，存储一个人的姓名、年龄。要把一个人存储在一个按照姓名（年龄）排序的std::map中。所需要做的就是编写一个模板特化std::less<Person>。

1. 错误示例

没有特化std::less时企图往std::map放入Person是会报错的，具体如下示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <functional>

class Person
{
public:
    Person():Person("", 0){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person(const std::string& name, int age):name_(name), age_(age){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    Person(const Person& p):name_(p.name_), age_(p.age_){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person& operator=(const Person& p)& {
        name_ = p.name_;
        age_ = p.age_;
        return *this;
    }

    Person(Person&& p) noexcept: name_(p.name_), age_(p.age_){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person& operator=(Person&& p) & noexcept {
        name_ = p.name_;
        age_ = p.age_;
        return *this;
    }

    virtual ~Person(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    std::string getName() const{
        return name_;
    }

    int getAge() const {
        return age_;
    }

private:
    std::string name_;
    int age_;
};

#if 0
namespace std{
    template<>
    struct less<Person>{
        bool operator()(const Person& lhs, const Person& rhs) const {
            //return lhs.getAge() < rhs.getAge();  // 按age_升序
            return lhs.getName() < rhs.getName();  // 按name_升序
        }
    };
}
#endif

int main()
{
    Person p1("ZhangSan", 23);
    Person p2("LiSi", 31);
    Person p3("WangWu", 19);
    Person p4("ChenLiu", 43);

    /* 编译报错：/opt/compiler-explorer/gcc-13.2.0/include/c++/13.2.0/bits/stl_function.h:408:20: error: no match for 'operator<' (operand types are 'const Person' and 'const Person')
       报错的原因是未使用类Person对模板类模板类 std::less进行特化（specialization） */
    //std::map<Person, std::string> pmaps{{p1, "ZhangSan@qq.com"}, {p2, "LiSi@qq.com"}, {p3, "WangWu@qq.com"}, {p4, "ChenLiu@qq.com"}};
    std::map<Person, std::string> pmaps;
    pmaps[p1] = "ZhangSan@qq.com";
    pmaps[p2] = "LiSi@qq.com";
    pmaps[p3] = "WangWu@qq.com";
    pmaps[p4] = "ChenLiu@qq.com";

    for(const auto& [k, v]: pmaps){
        std::cout << k.getName() << ", " << k.getAge() << ", " << v << std::endl; 
    }
}

2. 正确示例

可以特化在std命名空间中定义的模板，但不能向std添加新的声明。
std::less模板在<functional>头文件中声明，该头文件定义了所有关系和相等运算符的比较器模板。
使用Person特化std::less时可参考std::less模板在<functional>头文件中的定义，也就是C++在找不到显式特化（如std::less<Person>）时使用的主模板。
使用Person特化std::less后可以使用Person作为std::map的key，具体如下示例正确的实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <functional>

class Person
{
public:
    Person():Person("", 0){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person(const std::string& name, int age):name_(name), age_(age){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    Person(const Person& p):name_(p.name_), age_(p.age_){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person& operator=(const Person& p)& {
        name_ = p.name_;
        age_ = p.age_;
        return *this;
    }

    Person(Person&& p) noexcept: name_(p.name_), age_(p.age_){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    Person& operator=(Person&& p) & noexcept {
        name_ = p.name_;
        age_ = p.age_;
        return *this;
    }

    virtual ~Person(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    std::string getName() const{
        return name_;
    }

    int getAge() const {
        return age_;
    }

private:
    std::string name_;
    int age_;
};

namespace std{
    template<>
    struct less<Person>{
        bool operator()(const Person& lhs, const Person& rhs) const {
            //return lhs.getAge() < rhs.getAge();  // 按age_升序
            return lhs.getName() < rhs.getName();  // 按name_升序
        }
    };
}

int main()
{
    Person p1("ZhangSan", 23);
    Person p2("LiSi", 31);
    Person p3("WangWu", 19);
    Person p4("ChenLiu", 43);

    // std::map<Person, std::string> pmaps{{p1, "ZhangSan@qq.com"}, {p2, "LiSi@qq.com"}, {p3, "WangWu@qq.com"}, {p4, "ChenLiu@qq.com"}};  // 这种方式会多调用四次构造、析构
    std::map<Person, std::string> pmaps;
    pmaps[p1] = "ZhangSan@qq.com";
    pmaps[p2] = "LiSi@qq.com";
    pmaps[p3] = "WangWu@qq.com";
    pmaps[p4] = "ChenLiu@qq.com";

    for(const auto& [k, v]: pmaps){
        std::cout << k.getName() << ", " << k.getAge() << ", " << v << std::endl; 
    }
}

输出结果：

Person::Person(const std::string&, int)
Person::Person(const std::string&, int)
Person::Person(const std::string&, int)
Person::Person(const std::string&, int)
Person::Person(const Person&)
Person::Person(const Person&)
Person::Person(const Person&)
Person::Person(const Person&)
ChenLiu, 43, ChenLiu@qq.com
LiSi, 31, LiSi@qq.com
WangWu, 19, WangWu@qq.com
ZhangSan, 23, ZhangSan@qq.com
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()
virtual Person::~Person()