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泛型編程大家應(yīng)該都很熟悉了，主要就是利用模板實(shí)現(xiàn)“安全的宏”，而模板元編程區(qū)別于我們所知道的泛型編程，它是一種較為復(fù)雜的模板，屬于C++的高階操作了，它最主要的優(yōu)點(diǎn)就在于把計算過程提前到編譯期，能帶來可觀的性能提升。接下來，請和小編一起來學(xué)習(xí)吧。

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1.概述

模板元編程（Template Meta programming，TMP）是編寫生成或操縱程序的程序，也是一種復(fù)雜且功能強(qiáng)大的編程范式（Programming Paradigm）。

C++模板給C++提供了元編程的能力，但大部分用戶對 C++ 模板的使用并不是很頻繁，大致限于泛型編程，在一些系統(tǒng)級的代碼，尤其是對通用性、性能要求極高的基礎(chǔ)庫（如 STL、Boost）幾乎不可避免在大量地使用 C++ 模板以及模板元編程。

模版元編程完全不同于普通的運(yùn)行期程序，因?yàn)槟０嬖绦虻膱?zhí)行完全是在編譯期，并且模版元程序操縱的數(shù)據(jù)不能是運(yùn)行時變量，只能是編譯期常量，不可修改。

另外它用到的語法元素也是相當(dāng)有限，不能使用運(yùn)行期的一些語法，比如if-else、for和while等語句都不能用。

因此，模版元編程需要很多技巧，常常需要類型重定義、枚舉常量、繼承、模板偏特化等方法來配合，因此模版元編程比較復(fù)雜也比較困難。

2.模板元編程的作用

C++ 模板最初是為實(shí)現(xiàn)泛型編程設(shè)計的，但人們發(fā)現(xiàn)模板的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于那些設(shè)計的功能。

一個重要的理論結(jié)論就是：C++ 模板是圖靈完備的（Turing-complete），就是用 C++ 模板可以模擬圖靈機(jī)。

理論上說 C++ 模板可以執(zhí)行任何計算任務(wù)，但實(shí)際上因?yàn)槟０迨蔷幾g期計算，其能力受到具體編譯器實(shí)現(xiàn)的限制（如遞歸嵌套深度，C++11 要求至少 1024，C++98 要求至少 17）。

C++ 模板元編程是“意外”功能，而不是設(shè)計的功能，這也是 C++ 模板元編程語法丑陋的根源。

C++ 模板是圖靈完備的，這使得 C++代碼存在兩層次，其中，執(zhí)行編譯計算的代碼稱為靜態(tài)代碼（static code），執(zhí)行運(yùn)行期計算的代碼稱為動態(tài)代碼（dynamic code），C++的靜態(tài)代碼由模板實(shí)現(xiàn)，編寫C++的靜態(tài)代碼，就是進(jìn)行C++的模板元編程。

具體來說 C++ 模板可以做以下事情：編譯期數(shù)值計算、類型計算、代碼計算（如循環(huán)展開），其中數(shù)值計算實(shí)際意義不大，而類型計算和代碼計算可以使得代碼更加通用，更加易用，性能更好（也更難閱讀，更難調(diào)試，有時也會有代碼膨脹問題）。

編譯期計算在編譯過程中的位置請見下圖。

使用模板元編程的基本原則就是：將負(fù)載由運(yùn)行時轉(zhuǎn)移到編譯時，同時保持原有的抽象層次。

其中負(fù)載可以分為兩類，一類就是程序運(yùn)行本身的開銷，一類則是程序員需要編寫的代碼。

前者可以理解為編譯時優(yōu)化，后者則是為提高代碼復(fù)用度，從而提高程序員的編程效率。

圖靈完備：

圖靈完備是對計算能力的描述。

簡單判定圖靈完備的方法就是看該語言能否模擬出圖靈機(jī)圖靈不完備的語言常見原因有循環(huán)或遞歸受限(無法寫不終止的程序,如 while(true){}; ), 無法實(shí)現(xiàn)類似數(shù)組或列表這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(不能模擬紙帶). 這會使能寫的程序有限圖靈完備可能帶來壞處, 如C++的模板語言, 模板語言是在類型檢查時執(zhí)行, 如果編譯器不加以檢查,我們完全可以寫出使得C++編譯器陷入死循環(huán)的程序.圖靈不完備也不是沒有意義, 有些場景我們需要限制語言本身. 如限制循環(huán)和遞歸, 可以保證該語言能寫的程序一定是終止的。

3.模板元編程的組成要素

從編程范式上來說，C++模板元編程是函數(shù)式編程，用遞歸形式實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的功能，用C++ 模板的特例化提供了條件判斷能力，這兩點(diǎn)使得其具有和普通語言一樣通用的能力（圖靈完備性）。

模版元程序由元數(shù)據(jù)和元函數(shù)組成，元數(shù)據(jù)就是元編程可以操作的數(shù)據(jù)，即C++編譯器在編譯期可以操作的數(shù)據(jù)。

元數(shù)據(jù)不是運(yùn)行期變量，只能是編譯期常量，不能修改，常見的元數(shù)據(jù)有enum枚舉常量、靜態(tài)常量、基本類型和自定義類型等。

元函數(shù)是模板元編程中用于操作處理元數(shù)據(jù)的“構(gòu)件”，可以在編譯期被“調(diào)用”，因?yàn)樗墓δ芎托问?和 運(yùn)行時的函數(shù)類似，而被稱為元函數(shù)，它是元編程中最重要的構(gòu)件。

元函數(shù)實(shí)際上表現(xiàn)為C++的一個類、模板類或模板函數(shù)，它的通常形式如下：

template<int N, int M> struct meta_func {static const int value = N+M; }

調(diào)用元函數(shù)獲取value值：

cout<<meta_func<1, 2>::value<<endl;

meta_func的執(zhí)行過程是在編譯期完成的，實(shí)際執(zhí)行程序時，是沒有計算動作而是直接使用編譯期的計算結(jié)果。元函數(shù)只處理元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)是編譯期常量和類型，所以下面的代碼是編譯不過的：

int i = 1, j = 2; meta_func<i, j>::value; //錯誤，元函數(shù)無法處理運(yùn)行時普通數(shù)據(jù)

模板元編程產(chǎn)生的源程序是在編譯期執(zhí)行的程序，因此它首先要遵循C++和模板的語法，但是它操作的對象不是運(yùn)行時普通的變量，因此不能使用運(yùn)行時的C++關(guān)鍵字（如if、else、for），可用的語法元素相當(dāng)有限，最常用的是：

enum、static const 　　//用來定義編譯期的整數(shù)常量； typedef/using 　　 //用于定義元數(shù)據(jù)；[類型別名] T/Args...　　 　　 //聲明元數(shù)據(jù)類型；【模版參數(shù)：類型形參，非類型形參】 Template　　　　 //主要用于定義元函數(shù)；【模版類，特化，偏特化】 :: 　　　　　　 //域運(yùn)算符，用于解析類型作用域獲取計算結(jié)果（元數(shù)據(jù)）。【獲取元數(shù)據(jù)，元類型】

實(shí)際上，模板元中的if-else可以通過type_traits來實(shí)現(xiàn)，它不僅僅可以在編譯期做判斷，還可以做計算、查詢、轉(zhuǎn)換和選擇。

模板元中的for等邏輯可以通過遞歸、重載、和模板特化（偏特化）等方法實(shí)現(xiàn)。

4.模板元編程的控制邏輯

第一個 C++ 模板元程序由Erwin Unruh 在 1994 年編寫，這個程序計算小于給定數(shù) N 的全部素數(shù)（又叫質(zhì)數(shù)），程序并不運(yùn)行（都不能通過編譯），而是讓編譯器在錯誤信息中顯示結(jié)果（直觀展現(xiàn)了是編譯期計算結(jié)果，C++ 模板元編程不是設(shè)計的功能，更像是在戲弄編譯器。從此，C++模板元編程的能力開始被人們認(rèn)識到。

在模版元程序的具體實(shí)現(xiàn)時，由于其執(zhí)行完全是在編譯期，所以不能使用運(yùn)行期的一些語法，比如if-else、for和while等語句都不能用。這些控制邏輯需要通過特殊的方法來實(shí)現(xiàn)。

4.1 if判斷

模板元編程中實(shí)現(xiàn)條件if判斷，參考如下代碼：

#include <iostream>template<bool c, typename Then, typename Else> class IF_ {}; //基礎(chǔ)類模版template<typename Then, typename Else> class IF_<true, Then, Else> { public: typedef Then reType; }; //類模版的偏特化; 如果第一個模版非類型參數(shù)為true，IF_<true, Then, Else>::reType的值為模版的第二個類型參數(shù)Thentemplate<typename Then, typename Else> class IF_<false,Then, Else> { public: typedef Else reType; }; //類模版的偏特化int main() {const int len = 4;// 定義一個指定字節(jié)數(shù)的類型typedefIF_<sizeof(short)==len, short,IF_<sizeof(int)==len, int,IF_<sizeof(long)==len, long,IF_<sizeof(long long)==len, long long,void>::reType>::reType>::reType>::reType int_my;std::cout << sizeof(int_my) << '\n'; }/*分析最里面的一層：* IF_<sizeof(long long)==len, long long, void>::reType* 如果sizeof(long long) == 4, 上面的表達(dá)式返回long long, 否則返回void */

程序輸出結(jié)果：4。

實(shí)際上，從C++11開始，可以通過type_traits來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閠ype_traits提供了編譯期選擇特性：std::conditional，它在編譯期根據(jù)一個判斷式選擇兩個類型中的一個，和條件表達(dá)式的語義類似，類似于一個三元表達(dá)式。它的原型是：

template< bool B, class T, class F > struct conditional;

所以上面的代碼可以改寫為如下代碼：

#include <iostream> #include <type_traits> int main() {const int len = 4;// 定義一個指定字節(jié)數(shù)的類型typedefstd::conditional<sizeof(short)==len, short,std::conditional<sizeof(int)==len, int,std::conditional<sizeof(long)==len, long,std::conditional<sizeof(long long)==len, long long,void>::type>::type>::type>::type int_my;std::cout << sizeof(int_my) << '\n'; }

程序同樣編譯輸出4。

4.2循環(huán)展開

編譯期的循環(huán)展開（ Loop Unrolling）可以通過模板特化來結(jié)束遞歸展開，達(dá)到運(yùn)行期的for和while語句的功能。下面看一個編譯期數(shù)值計算的例子。

#include <iostream> template<int N> class sum {public: static const int ret = sum<N-1>::ret + N; }; template<> class sum<0> {public: static const int ret = 0; }; int main() {std::cout << sum<5>::ret <<std::endl;return 0; }

程序輸出：15。

當(dāng)編譯器遇到sumt<5>時，試圖實(shí)例化之，sumt<5> 引用了sumt<5-1>即sumt<4>，試圖實(shí)例化sumt<4>，以此類推，直到sumt<0>，sumt<0>匹配模板特例，sumt<0>::ret為 0，sumt<1>::ret為sumt<0>::ret+1為1，以此類推，sumt<5>::ret為15。

值得一提的是，雖然對用戶來說程序只是輸出了一個編譯期常量sumt<5>::ret，但在背后，編譯器其實(shí)至少處理了sumt<0>到sumt<5>共6個類型。

從這個例子我們也可以窺探 C++ 模板元編程的函數(shù)式編程范型，對比結(jié)構(gòu)化求和程序：for(i=0,sum=0; i<=N; ++i) sum+=i;?用逐步改變存儲（即變量 sum）的方式來對計算過程進(jìn)行編程，模板元程序沒有可變的存儲（都是編譯期常量，是不可變的變量），要表達(dá)求和過程就要用很多個常量：sumt<0>::ret，sumt<1>::ret，...，sumt<5>::ret。

函數(shù)式編程看上去似乎效率低下（因?yàn)樗蛿?shù)學(xué)接近，而不是和硬件工作方式接近），但有自己的優(yōu)勢：描述問題更加簡潔清晰，沒有可變的變量就沒有數(shù)據(jù)依賴，方便進(jìn)行并行化。

4.3switch/case分支

同樣可以通過模板特化來模擬實(shí)現(xiàn)編譯期的switch/case分支功能。參考如下代碼：

#include <iostream> using namespace std; template<int v> class Case { public:static inline void Run() {cout << "default case" << endl;} }; template<> class Case<1> { public:static inline void Run() {cout << "case 1" << endl;} }; template<> class Case<2> { public:static inline void Run() {cout << "case 2" << endl;} }; int main() {Case<2>::Run(); }

程序輸出結(jié)果：

case 2

5.特性、策略與標(biāo)簽

利用迭代器，我們可以實(shí)現(xiàn)很多通用算法，迭代器在容器與算法之間搭建了一座橋梁。求和函數(shù)模板如下：

#include <iostream> #include <vector> template<typename iter> typename iter::value_type mysum(iter begin, iter end) {typename iter::value_type sum(0);for(iter i=begin; i!=end; ++i)sum += *i;return sum; } int main() {std::vector<int> v;for(int i = 0; i<100; ++i)v.push_back(i);v.push_back(i);std::cout << mysum(v.begin(), v.end()) << '\n'; }

程序編譯輸出：4950。

我們想讓 mysum() 對指針參數(shù)也能工作，畢竟迭代器就是模擬指針，但指針沒有嵌套類型 value_type，可以定義 mysum() 對指針類型的特例，但更好的辦法是在函數(shù)參數(shù)和 value_type 之間多加一層特性（traits）。

template<typename iter> class mytraits //標(biāo)準(zhǔn)容器通過這里獲取容器元素的類型 { public: typedef typename iter::value_type value_type; };template<typename T> class mytraits<T*> //數(shù)組類型的容器，通過這里獲取數(shù)組元素的類型 { public: typedef T value_type; };template<typename iter> typename mytraits<iter>::value_type mysum(iter begin, iter end) {typename mytraits<iter>::value_type sum(0);for(iter i=begin; i!=end; ++i)sum += *i;return sum; } int main() {int v[4] = {1,2,3,4};std::cout << mysum(v, v+4) << '\n';return 0; }

程序輸出：10。

其實(shí)，C++ 標(biāo)準(zhǔn)定義了類似的 traits， std::iterator_trait（另一個經(jīng)典例子是 std::numeric_limits） 。

traits特性對類型的信息（如 value_type、 reference）進(jìn)行包裝，使得上層代碼可以以統(tǒng)一的接口訪問這些信息。

C++ 模板元編程會涉及大量的類型計算，很多時候要提取類型的信息（typedef、 常量值等），如果這些類型信息的訪問方式不一致（如上面的迭代器和指針），我們將不得不定義特例，這會導(dǎo)致大量重復(fù)代碼的出現(xiàn)（另一種代碼膨脹），而通過加一層特性可以很好的解決這一問題。

另外，特性不僅可以對類型的信息進(jìn)行包裝，還可以提供更多信息，當(dāng)然，因?yàn)榧恿艘粚?#xff0c;也帶來復(fù)雜性。特性是一種提供元信息的手段。

策略（policy）一般是一個類模板，典型的策略是 STL 容器的分配器（如std::vector<>，完整聲明是template<class T, class Alloc=allocator<T>> class vector;）（這個參數(shù)有默認(rèn)參數(shù)，即默認(rèn)存儲策略），策略類將模板的經(jīng)常變化的那一部分子功能塊集中起來作為模板參數(shù)，這樣模板便可以更為通用，這和特性的思想是類似的。

標(biāo)簽（tag）一般是一個空類，其作用是作為一個獨(dú)一無二的類型名字用于標(biāo)記一些東西，典型的例子是 STL 迭代器的五種類型的名字。

input_iterator_tag output_iterator_tag forward_iterator_tag bidirectional_iterator_tag random_access_iterator_tag

實(shí)際上，

std::vector<int>::iterator::iterator_category就是random_access_iterator_tag, 可以使用type_traits的特性is_same來判斷類型是否相同。

#include <iostream> #include <vector> #include <type_traits> int main() { std::cout << is_same<std::vector<int>::iterator::iterator_category, std::random_access_iterator_tag >::value << std::endl; return 0; }

程序輸出：1。

有了這樣的判斷，還可以根據(jù)判斷結(jié)果做更復(fù)雜的元編程邏輯（如一個算法以迭代器為參數(shù)，根據(jù)迭代器標(biāo)簽進(jìn)行特例化以對某種迭代器特殊處理）。標(biāo)簽還可以用來分辨函數(shù)重載。

6.小結(jié)

C++模板元編程是圖靈完備的且是函數(shù)式編程，主要特點(diǎn)是代碼在編譯期執(zhí)行，可用于編譯期數(shù)值計算，能夠獲得更有效率的運(yùn)行碼。模板的使用，也提高了代碼泛化。與此同時，模板元編程也存一定缺點(diǎn)，主要有：

（1）模板元編程產(chǎn)生的代碼較為復(fù)雜，難易閱讀，可讀性較差；

（2）大量模板的使用，編譯時容易導(dǎo)致代碼膨脹，提高了編譯時間；

（3）對于C++來說，由于各編譯器的差異，大量依賴模板元編程（特別是最新形式的）的代碼可能會有移植性的問題。

所以，對于模板元編程，我們需要揚(yáng)其長避其短，合理使用模板元編程。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++ 高阶操作：模板元编程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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