[转贴]Template Meta Programming

我不懂C++

转自：http://www.allaboutprogram.com/about1992.html

I.背景

C++在很多人的心目中，一直是一种OO语言，而事实上，现在对C++的非OO部分的各种使用被逐渐地挖掘出来，其中最大的部分莫过于是template。STL、loki、boost，...，很多先行者为我们提供了方案，有的已经被列入C++标准的一部分。template的一个重要使用方法就是template meta programming，它利用编译器对于template的解释是静态的这一特性，让编译器在编译时做计算，可以有效的提高程序的运行速度。有关于template meta programming的记载，最早见于Erwin Unruh，他在1994年写了一个用template计算质数的程序。我希望通过这篇文章介绍一些TMP的基本技巧和应用，并且最终完成一个质数计算程序。
（阅读本文的过程中，建议你试图编译每一个给出的程序。由于所有的类只需要public成员，所以都用struct声明，但是仍然称之为类。）

II.技术

通常我们编写一个（小）程序，需要的语言支持其实不必很多，只要有顺序、选择和循环三种控制结构理论上就可以写出大多数程序了。我们先用TMP建立一个简单的语言环境。

1.打印

程序有了结果，需要有一个方式反馈给运行者，这里我们利用C++的出错信息，建立一个打印函数。要知道我们希望一切都在编译的时候结束，那么我们就必须让C++编译器在编译信息里面告诉我们，所以我们利用编译器的出错信息。当然这只是一个trick，如果你的TMP只是程序的一部分，你可以使用正常的输入输出。

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

这个类，每当别人引用到它的result的时候，编译器就会打印出错信息，因为一个unsigned int是不能隐式的转成一个unsigned char*的。譬如下面这段程序

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，会输出
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'

这个输出虽然不是很好看，但也算是差强人意。

2.选择

Andrei Alexanderescu在他的大作Modern C++ Design里面使用过一个类，可以根据bool的值选择不同的类型。今天我们要写的一个是根据bool的值选择不同的整数。

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;
};

这里用到了模板的特化，如果你对这个不熟悉，那么大致可以这样理解：第一个template_if的定义告诉编译器，“一般的”template_if，会选择第一个值作为结果。第二个template_if告诉编译器，如果第一个参数是false的话，我们就使用第二个值（第三个参数）作为结果。下面这段代码演示了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;

如果你去编译这段代码的话，你会发觉77和123都被打印出来了，虽然错误信息不一样，但是这不是我们想要的结果。为什么呢？很遗憾，对C++编译器来说，template_if<true, 1, 100>;和template<true, 1, 200>;是两个不同的类，虽然后一个参数的值我们并不关心，但是编译器必须在template初始化的时候，给出所有的参数，这就导致它会去计算print<value>;::result，当然，计算的结果就是报错。也就是说，因为编译器要计算这个值才导致了我们的print不可用，要解决这个问题，有两个方法：或者让编译器不计算这个值，或者让编译器在某些情况下可以计算出正确的值。

方法一可以让编译器不计算这个值，通过修改template_if，我们传入两个不同的类，而不是unsigned int。
首先修改print，加一个新的类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;
};

接着，加入一套对类型进行选择的模板：

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;
};

这样原先的程序就变成：

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;

现在的“运行结果”非常正确。

方法二可以让编译器在某些情况下计算出正确的值，我们加一套新的模板：

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;
};

原先的程序变为：

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;

输出也是正确的。

这两种方案，我个人倾向于后者，因为其实我们一定是要做一次判断的，并且这次判断一定会添加新的类，那么还是print_if的解决方案比较直观。

3. 循环