[轉(zhuǎn)貼]Template Meta Programming

我不懂C++

轉(zhuǎn)自：http://www.allaboutprogram.com/about1992.html

I.背景

C++在很多人的心目中，一直是一種OO語言，而事實(shí)上，現(xiàn)在對(duì)C++的非OO部分的各種使用被逐漸地挖掘出來，其中最大的部分莫過于是template。STL、loki、boost，...，很多先行者為我們提供了方案，有的已經(jīng)被列入C++標(biāo)準(zhǔn)的一部分。template的一個(gè)重要使用方法就是template meta programming，它利用編譯器對(duì)于template的解釋是靜態(tài)的這一特性，讓編譯器在編譯時(shí)做計(jì)算，可以有效的提高程序的運(yùn)行速度。有關(guān)于template meta programming的記載，最早見于Erwin Unruh，他在1994年寫了一個(gè)用template計(jì)算質(zhì)數(shù)的程序。我希望通過這篇文章介紹一些TMP的基本技巧和應(yīng)用，并且最終完成一個(gè)質(zhì)數(shù)計(jì)算程序。
（閱讀本文的過程中，建議你試圖編譯每一個(gè)給出的程序。由于所有的類只需要public成員，所以都用struct聲明，但是仍然稱之為類。）

II.技術(shù)

通常我們編寫一個(gè)（小）程序，需要的語言支持其實(shí)不必很多，只要有順序、選擇和循環(huán)三種控制結(jié)構(gòu)理論上就可以寫出大多數(shù)程序了。我們先用TMP建立一個(gè)簡單的語言環(huán)境。

1.打印

程序有了結(jié)果，需要有一個(gè)方式反饋給運(yùn)行者，這里我們利用C++的出錯(cuò)信息，建立一個(gè)打印函數(shù)。要知道我們希望一切都在編譯的時(shí)候結(jié)束，那么我們就必須讓C++編譯器在編譯信息里面告訴我們，所以我們利用編譯器的出錯(cuò)信息。當(dāng)然這只是一個(gè)trick，如果你的TMP只是程序的一部分，你可以使用正常的輸入輸出。

template<unsigned int value>;
struct print
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

這個(gè)類，每當(dāng)別人引用到它的result的時(shí)候，編譯器就會(huì)打印出錯(cuò)信息，因?yàn)橐粋�(gè)unsigned int是不能隱式的轉(zhuǎn)成一個(gè)unsigned char*的。譬如下面這段程序

template<unsigned int value>;
struct print
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

unsigned int test1 = print<77>;::result;
unsigned int test2 = print<123>;::result;

在我的Dev C++里，會(huì)輸出
main.cpp: In instantiation of `print<77>;':
main.cpp:7:   instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'
main.cpp: In instantiation of `print<123>;':
main.cpp:8:   instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'

這個(gè)輸出雖然不是很好看，但也算是差強(qiáng)人意。

2.選擇

Andrei Alexanderescu在他的大作Modern C++ Design里面使用過一個(gè)類，可以根據(jù)bool的值選擇不同的類型。今天我們要寫的一個(gè)是根據(jù)bool的值選擇不同的整數(shù)。

template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>;
struct template_if
{
        static const unsigned int result = value1;
};

template<unsigned int value1, unsigned int value2>;
struct template_if<false, value1, value2>;
{
        static const unsigned int result = value2;
};

這里用到了模板的特化，如果你對(duì)這個(gè)不熟悉，那么大致可以這樣理解：第一個(gè)template_if的定義告訴編譯器，“一般的”template_if，會(huì)選擇第一個(gè)值作為結(jié)果。第二個(gè)template_if告訴編譯器，如果第一個(gè)參數(shù)是false的話，我們就使用第二個(gè)值（第三個(gè)參數(shù)）作為結(jié)果。下面這段代碼演示了template_if的用法。

template<unsigned int value>;
struct print
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>;
struct template_if
{
        static const unsigned int result = value1;
};

template<unsigned int value1, unsigned int value2>;
struct template_if<false, value1, value2>;
{
        static const unsigned int result = value2;
};

template<unsigned int value>;
struct print_if_77
{
        static const unsigned int result = template_if<value == 77 , print<value>;::result , 0>;::result;
};

unsigned int test1 = print_if_77<77>;::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>;::result;

如果你去編譯這段代碼的話，你會(huì)發(fā)覺77和123都被打印出來了，雖然錯(cuò)誤信息不一樣，但是這不是我們想要的結(jié)果。為什么呢？很遺憾，對(duì)C++編譯器來說，template_if<true, 1, 100>;和template<true, 1, 200>;是兩個(gè)不同的類，雖然后一個(gè)參數(shù)的值我們并不關(guān)心，但是編譯器必須在template初始化的時(shí)候，給出所有的參數(shù)，這就導(dǎo)致它會(huì)去計(jì)算print<value>;::result，當(dāng)然，計(jì)算的結(jié)果就是報(bào)錯(cuò)。也就是說，因?yàn)榫幾g器要計(jì)算這個(gè)值才導(dǎo)致了我們的print不可用，要解決這個(gè)問題，有兩個(gè)方法：或者讓編譯器不計(jì)算這個(gè)值，或者讓編譯器在某些情況下可以計(jì)算出正確的值。

方法一可以讓編譯器不計(jì)算這個(gè)值，通過修改template_if，我們傳入兩個(gè)不同的類，而不是unsigned int。
首先修改print，加一個(gè)新的類dummy_print：
template<unsigned int value>;
struct print
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

template<unsigned int value>;
struct dummy_print
{
        static const unsigned int result = value;
};

接著，加入一套對(duì)類型進(jìn)行選擇的模板：

template<bool condition, typename T1, typename T2>;
struct template_if_type
{
        static const unsigned int result = T1::result;
};

template<typename T1, typename T2>;
struct template_if_type<false, T1, T2>;
{
        static const unsigned int result = T2::result;
};

這樣原先的程序就變成：

template<unsigned int value>;
struct print
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

template<unsigned int value>;
struct dummy_print
{
        static const unsigned int result = value;
};

template<bool condition, typename T1, typename T2>;
struct template_if_type
{
        static const unsigned int result = T1::result;
};

template<typename T1, typename T2>;
struct template_if_type<false, T1, T2>;
{
        static const unsigned int result = T2::result;
};

template<unsigned int value>;
struct print_if_77
{
        static const unsigned int result = template_if_type<value == 77 ,
        print<value>; , dummy_print<value>; >;::result;
};

unsigned int test1 = print_if_77<77>;::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>;::result;

現(xiàn)在的“運(yùn)行結(jié)果”非常正確。

方法二可以讓編譯器在某些情況下計(jì)算出正確的值，我們加一套新的模板：

template<bool condition, unsigned int value>;
struct print_if
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

template<unsigned int value>;
struct print_if<false, value>;
{
        static const unsigned int result = value;
};

原先的程序變?yōu)椋?br />
template<bool condition, unsigned int value>;
struct print_if
{
        static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};

template<unsigned int value>;
struct print_if<false, value>;
{
        static const unsigned int result = value;
};

template<unsigned int value>;
struct print_if_77
{
        static const unsigned int result = print_if<value == 77 , value>;::result;
};

unsigned int test1 = print_if_77<77>;::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>;::result;

輸出也是正確的。

這兩種方案，我個(gè)人傾向于后者，因?yàn)槠鋵?shí)我們一定是要做一次判斷的，并且這次判斷一定會(huì)添加新的類，那么還是print_if的解決方案比較直觀。

3. 循環(huán)