模板元实现顺序、分支和循环结构

顺序

顺序执行没有太多可说的，唯一需要注意的是，类型的声明必须按照顺序，否则编译器无法识别。不按照顺序的声明，在运行时的程序是合法的，编译过程会扫描两次，第一次是找声明位置，第二次是具体的转换。

分支

一般的分支选择

使用std::conditional和std::conditional_t处理

#include 
#include 

struct T {};
struct F {};

int main() {
    std::conditional_t<true, T, F>  t;
    std::conditional_t<false, T, F> f;

    return 0;
}

使用std::enable_if和std::enable_if_t处理

#include 
#include 

int main() {
    std::enable_if<true, T> t;

    return 0;
}

使用模板的特化处理

#include 

struct A;
struct B;

template<typename T>
struct Fun_ {
    constexpr static int value = 0;
};

template<>
struct Fun_<A> {
    constexpr static int value = 1;
};

template<>
struct Fun_<B> {
    constexpr static int value = 2;
};

int main() {
    std::cout << Fun_<int>::value << std::endl;
    std::cout << Fun_<A>::value << std::endl;
    std::cout << Fun_<B>::value << std::endl;

    return 0;
}
/*
输出：
0
1
2
*/

使用if constexpr处理

// C++17的表达式
if constexpr(/*...*/) {
    // 如果括号是true，则运行这一段，否则运行下一段
} else {

}

简单实例，至少是C++17标准才可以

#include 
#include 

template<bool Tag>
auto fun() {
    if constexpr (Tag) {
        return static_cast<int>(1);
    } else {
        return std::string("hello world !\n");
    }
}

int main() {
    std::cout << fun<true>() << std::endl;
    std::cout << fun<false>() << std::endl;

    return 0;
}

输出：

1
hello world !

几个特殊点
不能在非完全特化的类模板中引入完全特化的分支代码！比如下面这一个错误的片段：

template<typename TF>
struct FOO {
    template<typename T>
    struct Fun_ {};

    template<>
    struct Fun_<int> {};
};

解决方式很简单，引入一个无用的默认void模板即可：

template<typename TF>
struct FOO {
    template<typename T, typename TDummy = void>
    struct Fun_ {};

    template<typename TDummy>
    struct Fun_<int, TDummy> {};
};

C++11的SFINAE特性，特性的全称是Substitution Failed Is Not An Error，匹配失败不是错误。如果出现多个匹配的情况，编译器会寻找最佳匹配方案，不存在找不到匹配的情况，下面一个实例：

#include 
#include 

int fun(int a) {
    return a;
}

std::string fun(const std::string& str) {
    return str;
}

int main() {
    std::cout << fun("foo") << std::endl;
    std::cout << fun(1.1f) << std::endl;

    return 0;
}

代码的fun只匹配了std::string和int参数，有一个传入了float参数，根据SFINAE特性，这不是错误，而是主动匹配与之最接近的int类型。

上述的std::enable_if可以根据这个特性来构造：

#include 
#include 

template<bool CheckOut, typename T,
         std::enable_if_t<CheckOut>* = nullptr>
auto CheckOut_ (T && arg) {
    std::cout << "true, " << arg << std::endl;
}

template <bool CheckOut, typename T,
           std::enable_if_t < !CheckOut > * = nullptr >
auto CheckOut_ (T&& arg) {
    std::cout << "false, " << arg << std::endl;
}

int main() {
    CheckOut_<true, int>(5);
    CheckOut_<false, float>(1.1);
    return 0;
}

分支选择的短路逻辑

短路操作一般是指的运行期的计算短路操作，对于编译期间的元函数操作影响不大。先给出一个运行期短路操作的例子：

#include 

bool fun() {
    std::cout << "fun()" << std::endl;
    return false;
}

bool foo() {
	std::cout << "foo()" << std::endl;
	return true;
}

int main() {
    int N;
    std::cin >> N;
    (N % 2 == 0) && fun() && foo();
    return 0;
}

输入奇数，则没有任何输出；输入偶数，则执行fun()函数；foo永远不会被执行。

然而编译期间不存在上述的短路行为，即&&不会阻止模板的展开。假设有下面的代码，其中meta1和meta2假设都是元函数：

meta1<10> && meta2<100>;

则不论meta1<10>执行结果如何，meta2<100>都会递归展开执行。

编译期间的短路操作需要依靠模板的特化完成。给出一个例子，模板元函数AllOdd_需要判断M和N是否都是奇数，如果M不是奇数，那么N就不用判断了，直接短路操作即可。下面给出代码实例：

#include 
#include 

template <size_t N>
struct IsOdd_ {
    constexpr static bool value = ((N % 2) == 1);
};

template <bool cur, typename TNext>
constexpr static bool AndValue = false;

template <typename TNext>
constexpr static bool AndValue<true, TNext> = TNext::value;

template <size_t M, size_t N>
struct AllOdd_ {
    constexpr static bool is_M_odd = IsOdd_<M>::value;
    // 利用AndValue特化实现短路操作
    constexpr static bool value = AndValue<is_M_odd, IsOdd_<N>>;
};

int main() {
    bool res1 = AllOdd_<2, 3>::value;  // 输出0
    bool res2 = AllOdd_<7, 9>::value;  // 输出1
    std::cout << res1 << std::endl;
    std::cout << res2 << std::endl;
    return 0;
}

循环

模板元编程的循环本质上是模板在编译期间的递归展开。编译器会保留递归展开的结果，从而为复用做优化，这是好的方面；坏的方面是，不是所用的重复结果都会被充分地利用，这样可能会出现组合爆炸的情况，导致内存占用过多，造成空间浪费。

一般的模板展开式循环

首先给出一个简单的实例，利用模板元求解1-N的累加和：

#include 

// 泛型的模板
template <size_t N>
constexpr size_t Sum = N + Sum<N - 1>;

// 模板特化，相当于递归终止的条件
template<>
constexpr size_t Sum<1> = 1;

int main() {
    size_t s = Sum<10>;
    std::cout << s << std::endl;  // 输出55
    return 0;
}

上述代码中，没有出现循环结构，而是使用模板的递归展开进行计算，典型的函数式编程，不过是在编译期间进行计算的，这是模板元编写循环的典型使用方式。

再给出一个模板元容器的例子：

#include 

// 模板特化，递归终止的条件是没有参数，没有模板就表示没有参数
template<size_t ...Inputs>
constexpr size_t Sum = 0;

// 泛型模板，函数式编程处理累加和
template <size_t CurInput, size_t ...Inputs>
constexpr size_t Sum<CurInput, Inputs...> = \
                    CurInput + Sum<Inputs...>;
int main() {
    size_t s = Sum<1, 2, 3, 4, 5>;
    std::cout << s << std::endl;   // 输出15
    return 0;
}

避免模板组合爆炸

一般来说，编译器会保留编译的结果，留作复用，从而提高编译速度。但是，复用的前提是模板的参数必须完全一致才可以！！否则无法复用，而且随着循环展开的，可能出现组合爆炸的情况，导致内存不足。

上述第一个累加和例子中，如果有：

size_t s1 = Sum<5>;
size_t s2 = Sum<10>;

那么，对于Sum<10>来说，1-5的累加和不用进行计算，而是直接使用Sum<5>的计算结果。但是，如果出现下面这种参数不匹配的情况，则无法进行重复利用，反而会存在大量的重复性计算。

给出一个区间累加和的模板元函数，计算M-N的累加值，闭区间的。

#include 

template <int M>  // 起始值
struct Begin {
    template<int N, typename TDummy = void>
    struct Sum_ {   // 泛型累加模板
        constexpr static int value = N + Sum_ < N - 1 >::value;
    };

    template<typename TDummy>
    struct Sum_<M, TDummy> {  // 模板特化，终止值
        constexpr static int value = M;
    };

    template<int N>  // 输出的结果
    constexpr static int End = Sum_<N>::value;
};

int main() {
    int s = Begin < -10 >::End<6>;
    int t = Begin < -11 >::End<6>;
    std::cout << s << std::endl;
    std::cout << t << std::endl;
    return 0;
}

上述模板中，虽然-10+…+5的过程和值是相同，但是由于参数不同，导致模板无法利用，所以产生模板空间浪费。正确的做法是拆分结构。