C++11 模板元编程 - 前言

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熟悉C++的程序员都知道，C++是一门多范式编程语言，支持面向过程、面向对象、泛型编程以及函数式编程范式。然而提到C++模板元编程，在很多人心里这却是C++里的黑魔法：它很难学习，一旦进入这个领域曾经那些熟悉的东西（if，for...）都不再灵验；它很强大，但现实中却鲜见有人用它来解决实际问题，除过偶尔在一些编码练习中被某些C++狂热粉当做奇淫巧技拿出来秀秀肌肉。

其实模板元编程是C++所支持的一种非常强大的计算能力，它是使用C++开发高质量库和框架所离不开的一项武器。

掌握C++模板元编程，至少可以在以下场合帮助到你：

• 实现高扩展性，并且兼具高性能的库
• 实现灵活且易于使用的框架
• 实现基于C++的内部DSL（Domain Specific Language）
• 帮助更深入地理解并使用模板和泛型编程，更好地去使用C++ STL库中的高级特性

如果你是一个C++的库或框架的开发者，了解和掌握一些模板元编程的知识，可以让你的作品更易于扩展、拥有更易用的接口，甚至更高的运行时效率。而即使你只使用C++设计和开发应用程序，了解模板元编程也会帮助你更好的去使用STL库的各种特性，帮助你的局部设计做的更加漂亮。

实际上C++模板元编程技术已经渗透在我们日常使用的各种库和框架中，例如我们最常使用的STL库以及各种xUnit测试框架和mock框架。可以说，模板元编程是中级C++程序员迈向高级的必经之路！

然而现实是，C++模板元编程的学习之旅却并不平坦。

一方面，由于C++模板元编程的本质是函数式编程，熟练掌握并使用函数式编程的程序员比较小众，绝大多数程序员初次进入这个领域时面对模式匹配、递归和不可变性时都会手足无措。另一方面，由于C++的模板元编程能力是被意外发现的，不像别的函数式编程语言经过良好的设计，所以C++的这种函数式计算能力天生存在着各种缺陷，直到C++11标准才开始逐渐完善起来。在之前很多重要特性都靠很绕的方式去迂回实现，增加了学习的难度。

另外，市面上介绍模板元编程的书和资料也乏善可陈，以下的书相对还不错，但对于模板元编程的介绍仍旧存在一些问题：

• 《C++ Templates Complete》
  介绍C++模板知识最全面的一本书，涉及到了模板各个方面的基础知识和应用技巧。由于元编程并不是此书重点，所以仅有短短一章列举了一些利用模板元编程做数值计算的例子。现实中使用模板元编程单纯做数值计算的场合并不多，模板元编程更大的价值在于做类型计算和代码生成，书中却涉及甚少。

• 《Modern C++ Design》
  介绍如何使用模板进行C++高阶设计的一本书。介绍了TypeLists的概念，作为一种重要的编译时数据结构，是元编程的基础。但遗憾作者并没有明确的提出元编程的概念，也没有对C++编译时的运算特征进行总结和提炼。最后由于此书基于的C++ 98标准对于模板以及编译期类型计算支持上的欠缺，书中介绍的不少实现比较迂回复杂。

• 《C++模板元编程》
  正式介绍C++模板元编程的一本书，引入了元函数的概念。通过对模板计算的规范化，发挥了编译期元函数可组合的优势。遗憾的是，此书只能算是boost中mpl库的用户手册，基本上是在讲mpl库的用户接口和使用方法，没有涉及库的实现细节。现实中我们采用元编程解决问题，一般不会引用boost这么重的库，往往只会在某一局部借鉴类似的设计技巧。所以对于元编程来说，授之以渔的意义远大于授之以鱼。另外由于boost mpl库中用了大量C++预处理期代码生成技术，导致通过阅读mpl源码去掌握模板元编程的同学一上来就陷入到一堆宏中，对于学习元编程增加了非常多的干扰因素。

基于以上原因，我基于C++11标准实现了一个模板元编程的基础库：TLP (https://github.com/MagicBowen/tlp)，然后再通过本手册来为大家全面介绍C++模板元编程的基本知识和使用技巧。

TLP库包含以下内容：

• 基本的编译期数据类型和算法；
• 基本的编译期数据结构TypeList，以及针对它的各种基本算法函数：length、append、erase、replace、unique、belong、comb...
• 基于TypeList的各种高阶函数，如 any，all，sort、transform、map，filter，fold...
• 辅助模板元编程的常用函数，如 __is_eq()，__if()，__print() ...
• 一些有用的编译期Traits工具，如 IsBaseOf，IsConvertible，IsBuiltIn...
• 一些常用的元编程模式，如 “元函数转发”等；
• 一个面向模板元编程的测试框架，用它描述的所有测试用例执行在C++的编译期，我们使用它来对TLP进行测试；

除此之外，TLP库中还包含了如下示例代码，用来演示如何在现实场景中应用好模板元编程和TLP库：

• 示范了如何使用模板元编程做纯编译期计算，完成一个自动数三角形的程序；
• 示范了如何使用模板元编程技术来实现代码生成，自动创建visitor设计模式；
• 示范了如何使用模板元编程技术来实现一个DSL，用于描述并生成有限状态机；

上面提到的TypeList以及使用代码生成来创建visitor设计模式的原创者是《Modern C++ Design》的作者Andrei Alexandrescu。在TLP中我用C++11对TypeList及其算法进行了改写，并进行了高阶函数的扩展。得益于C++11标准对模板元编程的更好支持，新的实现比起原来的更加清晰和简洁。

示例代码中利用模板元编程创建有限状态机DSL的设计最初来自于《C++模板元编程》一书，为了让其更好被理解，我对例子以及代码进行了较大的改编。

除了上面的例子，本手册中还介绍了我自己开发的针对C++模块和子系统FT（Functional Test）级别的测试框架dates，展示了它如何使用模板元编程来进行类型萃取、类型选择以及类型校验，最终使得框架变得更易用、更高效以及更安全。这些技巧可以帮助到大家更好地使用模板元编程去解决现实问题。

最后，TLP库自身的测试通过一个原创的C++模板元编程测试框架。该框架专门针对C++编译期计算进行测试，它的用法和常见的xUnit测试框架类似，但有趣的是使用该框架描述的所有测试用例的执行发生在C++编译期。本文会专门介绍该框架的一些实现细节。

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C++模板元编程当年被提出来的时候，函数式编程还没有像今天这样被更多的人所了解和接受，当时的C++标准和编译器对模板和编译期计算的支持也存在着很多缺陷。然而到了今天，很多事情发生了变化！本文的读者最好能够有一些函数式编程的基础，了解C++模板的基本用法，熟悉一些C++11标准的内容。当然文中所有用的到模板技术、C++11标准和涉及到的函数式编程概念也都会专门介绍和说明。

如果你从来没有接触过C++模板元编程，那么最好从一开始就把它当做一门全新的语言去学习，从头掌握C++中这种不一样的计算模型和语法。这种新的语言和我们熟识的运行期C++在语法和计算模型上都有较大的差异，但它的优势在于能和运行期C++紧密无缝地结合在一起，无论是在提高程序可扩展性还是提高程序运行效率上，都能创造出非常不可思议的效果来。希望通过本手册，可以让更多的人掌握C++模板元编程这一设计利器，在适合的场合下以更有效、更酷的方式去解决问题。

文中出现的所有代码片段，如果在注释中给出了TLP库中对应的文件路径，则都能在TLP库中找到源码。除此之外的其它代码则是为了文章需要所构造的临时代码。另外，为了减少干扰，本文中所示TLP库中的代码均没有加命名空间，阅读文章和TLP库源码时请注意区分。

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