C++11 模板元编程 - 两阶段的C++语言

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前面我们介绍了C++模板元编程的基础知识。我们将模板元编程的计算对象统一到类型上，引入了元函数的概念。元函数是模板元编程的基础构件，它支持默认参数，支持高阶函数，支持柯里化，遵守不可变性，具有惰性特征。此外我们还介绍了在模板元编程中做计算控制的模式匹配和递归的相关技巧。

在示例代码中，我们完成了几个模板元编程的基础元函数：IntType，BoolType，Value，Print，IsEqual，IfThenElse等等，并且对它们用宏进行了封装，分别是__int()，__bool()，__value()，__print()，__is_eq()，__if()。后文在使用的时候，对于某一用宏封装过的元函数，会提到“元函数Value”，可能也会提成“元函数__value()”，请注意它们是相同的。

在前面的介绍中，我们一直将C++模板元编程看做是一门独立的图灵完备的纯函数式语言。虽然C++模板元编程和我们熟识的运行期C++无论在语法还是计算模型上都有较大的差异，但他们却能最紧密无缝地集成在一起。有了模板元编程，我们就可以把C++看成是一门两阶段语言。

第一阶段发生在C++编译期前段，这时可以看做是C++模板元编程的天下。此时，C++相当于一门纯函数式的解释型语言，编译器在此时充当了解释器的角色，直接面向C++源代码进行解释执行。我们知道对于代码最全的元信息就存在于源代码自身中，所以解释型语言所谓反射或者自省的能力都非常的强，这也是C++模板元编程拥有强大能力的原因之一。框架和库的开发往往离不开语言自身拥有的反射能力。C++模板元编程带来的这种反射能力，和运行期C++的RTTI技术本质并不相同，它更加的强大且不会带来运行时开销。STL中的type_traits库，利用模板元编程技术定义了非常多的编译期反射工具，可以直接供大家使用。

第一阶段C++模板元编程的另一特殊性在于它的计算对象：类型和常量，它们是构成运行期C++的基本元素。因此模板元编程可以看做是运行期C++的代码生成器。当第一阶段结束后，C++编译器恢复我们熟识的角色，针对第一阶段的结果代码进行编译，产生可以运行的C++程序。正是模板元编程这种可以充当运行期C++代码生成器的能力，使得它成为构造内部DSL的强大工具。

C++在编译期之前还有一个预处理阶段。预处理期可以利用宏完成各种代码生成，Boost中还专门有一个关于预处理的工具库preprocessor，用于在预处理期进行数值运算及代码生成，甚至还定义了预处理期的数据结构和算法。虽然预处理技术也是一项非常有用的工具，但由于其原理仅是文本替换，并不做真正的运算，所以理论上并非是图灵完备的，因此我们在上图中并未将其列入。

由于C++的模板元编程能力是在C++语言引入模板特性后被意外发现的，所以不像别的经过预先良好设计的函数式语言那样语法优美，功能完备。通过前面的例子确实也看到它的很多写法相比Haskell要繁琐的多，而且功能上也要差很多。在C++11出现之前，标准上对模板元编程的支持还存在一些大的缺陷，而且不同编译器对模板元编程的支持也不太统一。另外我们也看到，模板元编程操作IO的能力非常的差，这导致了模板元编程的问题定位变得困难。

得益于近些年C++标准以及主流编译器对C++编译期计算支持得越来越完备，使得模板元编程相比以前要更加方便和完善。虽然如此，由于历史原因，它仍旧无法和一门真正经过良好设计的语言相比。但由于它内置于C++，使得它和运行期C++的结合上有着天然无法替代的优势，这也是我们要学习它的原因。不要相信类似 “python + 传统C++” 的说法，否则你就基本丧失了构造灵活高效的C++程序库和框架的能力。想要成为一名专业的C++程序员，熟悉模板元编程是必须的。

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TLP测试框架

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