浅谈C++元编程

随着 C++ 11/14/17 标准的不断更新，C++ 语言得到了极大的完善和补充。元编程作为一种新兴的编程方式，受到了越来越多的广泛关注。结合已有文献和个人实践，对有关 C++ 元编程进行了系统的分析。首先介绍了 C++ 元编程中的相关概念和背景，然后利用科学的方法分析了元编程的 演算规则、基本应用 和实践过程中的 主要难点，最后提出了对 C++ 元编程发展的 展望。

1 引言
1.1 什么是元编程
元编程 (metaprogramming) 通过操作 程序实体 (program entity)，在 编译时 (compile time) 计算出 运行时 (runtime) 需要的常数、类型、代码的方法。

一般的编程是通过直接编写 程序 (program)，通过编译器 编译 (compile)，产生目标代码，并用于 运行时 执行。与普通的编程不同，元编程则是借助语言提供的 模板 (template) 机制，通过编译器 推导 (deduce)，在 编译时 生成程序。元编程经过编译器推导得到的程序，再进一步通过编译器编译，产生最终的目标代码。在 § 2.1.3 中，用一个例子说明了两者的区别。

因此，元编程又被成为 两级编程 (two-level programming)，生成式编程 (generative programming) 或 模板元编程 (template metaprogramming)。[1]

1.2 元编程在 C++ 中的位置
C++ 语言 = C 语言的超集 + 抽象机制 + 标准库
C++ 的 抽象机制 (abstraction mechanisms) 主要有两种：面向对象编程 (object-oriented programming) 和 模板编程 (generic programming)。[1]

为了实现面向对象编程，C++ 提供了 类 (class)，用 C++ 的已有 类型 (type) 构造出新的类型。而在模板编程方面，C++ 提供了 模板 (template)，以一种直观的方式表示 通用概念 (general concept)。

模板编程的应用主要有两种：泛型编程 (generic programming) 和 元编程 (meta-programming)。前者注重于 通用概念 的抽象，设计通用的 类型 或 算法 (algorithm)，不需要过于关心编译器如何生成具体的代码；而后者注重于设计模板推导时的 选择 (selection) 和 迭代 (iteration)，通过模板技巧设计程序。[1]

1.3 C++ 元编程的历史
1988 年，David R. Musser 和 Alexander A. Stepanov 提出了 模板 [2]，并最早应用于 C++ 语言。Alexander A. Stepanov 等人在 Bjarne Stroustrup 的邀请下，参与了 C++ 标准模板库 (C++ Standard Template Library, C++ STL) （属于 C++ 标准库 的一部分） 的设计。[3] 模板的设计初衷仅是用于泛型编程，对数据结构和算法进行 抽象 (abstraction)。

而在现代 C++ 的时代，人们发现模板可以用于元编程。1994 年的 C++ 标准委员会会议上，Erwin Unruh 演示了一段利用编译器错误信息计算素数的代码。[4] 1995 年的 Todd Veldhuizen 在 C++ Report 上，首次提出了 C++ 模板元编程 的概念，并指出了其在数值计算上的应用前景。[5] 随后，Andrei Alexandrescu 提出了除了数值计算之外的元编程应用，并设计了一个通用的 C++ 的模板元编程库 —— Loki。[6] 受限于 C++ 对模板本身的限制，Andrei Alexandrescu 等人又发明了 D 语言，把元编程提升为语言自身的一个特性。[7]

元编程已被广泛的应用于现代 C++ 的程序设计中。由于元编程不同于一般的编程，在程序设计上更具有挑战性，所以受到了许多学者和工程师的广泛关注。

1.4 元编程的语言支持
C++ 的元编程主要依赖于语言提供的模板机制。除了模板，现代 C++ 还允许使用 constexpr 函数进行常量计算。[8] 由于 constexpr 函数功能有限，所以目前的元编程程序主要基于模板。这一部分主要总结 C++ 模板机制相关的语言基础，包括 狭义的模板 和 泛型 lambda 表达式。

1.4.1 狭义的模板
目前最新的 C++ 将模板分成了 4 类：类模板 (class template)，函数模板 (function template)，别名模板 (alias template) 和 变量模板 (variable template)。[9] 前两者能产生新的类型，属于 类型构造器 (type constructor)；而后两者仅是语言提供的简化记法，属于 语法糖 (syntactic sugar)。

类模板 和 函数模板 分别用于定义具有相似功能的 类 和 函数 (function)，是泛型中对 类型 和 算法 的抽象。在标准库中，容器 (container) 和 函数 都是 类模板 和 函数模板 的应用。

别名模板 和 变量模板 分别在 C++ 11 和 C++ 14 引入，分别提供了具有模板特性的 类型别名 (type alias) 和 常量 (constant) 的简记方法。前者 类模板的嵌套类 等方法实现，后者则可以通过 constexpr 函数、类模板的静态成员、函数模板的返回值 等方法实现。例如，C++ 14 中的 别名模板 std::enable_if_t 等价于 typename std::enable_if::type，C++ 17 中的 变量模板 std::is_same 等价于 std::is_same::value。尽管这两类模板不是必须的，但一方面可以增加程序的可读性（§ 4.1），另一方面可以提高模板的编译性能（§ 4.4）。

C++ 中的 模板参数 (template parameter / argument) 可以分为三种：值参数，类型参数，模板参数。[10] 从 C++ 11 开始，C++ 支持了 变长模板 (variadic template)：模板参数的个数可以不确定，变长参数折叠为一个 参数包 (parameter pack) [11]，使用时通过编译时迭代，遍历各个参数（§ 2.2.2）。标准库中的 元组 (tuple) —— std::tuple 就是变长模板的一个应用（元组的 类型参数 是不定长的，可以用 template 匹配）。

尽管 模板参数 也可以当作一般的 类型参数 进行传递（模板也是一个类型），但之所以单独提出来，是因为它可以实现对传入模板的参数匹配。§ 3.2 的例子（代码 8）使用 std::tuple 作为参数，然后通过匹配的方法，提取 std::tuple 内部的变长参数。

特化 (specialization) 类似于函数的 重载 (overload)，即给出 全部模板参数取值（完全特化）或 部分模板参数取值（部分特化）的模板实现。实例化 (instantiation) 类似于函数的 绑定 (binding)，是编译器根据参数的个数和类型，判断使用哪个重载的过程。由于函数和模板的重载具有相似性，所以他们的参数 重载规则 (overloading rule) 也是相似的。

1.4.2 泛型 lambda 表达式
由于 C++ 不允许在函数内定义模板，有时候为了实现函数内的局部特殊功能，需要在函数外专门定义一个模板。一方面，这导致了代码结构松散，不易于维护；另一方面，使用模板时，需要传递特定的 上下文 (context)，不易于复用。（类似于 C 语言里的回调机制，不能在函数内定义回调函数，需要通过参数传递上下文。）

为此，C++ 14 引入了 泛型 lambda 表达式 (generic lambda expression) [12]：一方面，能像 C++ 11 引入的 lambda 表达式一样，在函数内构造 闭包 (closure)，避免在 函数外定义 函数内使用 的局部功能；另一方面，能实现 函数模板 的功能，允许传递任意类型的参数。

2 元编程的基本演算
C++ 的模板机制仅仅提供了 纯函数 (pure functional) 的方法，即不支持变量，且所有的推导必须在编译时完成。但是 C++ 中提供的模板是 图灵完备 (turing complete) 的 [13]，所以可以使用模板实现完整的元编程。

元编程的基本 演算规则 (calculus rule) 有两种：编译时测试 (compile-time test) 和 编译时迭代 (compile-time iteration) [1]，分别实现了 控制结构 (control structure) 中的 选择 (selection) 和 迭代 (iteration)。基于这两种基本的演算方法，可以完成更复杂的演算。

2.1 编译时测试
编译时测试 相当于面向过程编程中的 选择语句 (selection statement)，可以实现 if-else / switch 的选择逻辑。

在 C++ 17 之前，编译时测试是通过模板的 实例化 和 特化 实现的 —— 每次找到最特殊的模板进行匹配；而 C++ 17 提出了使用 constexpr-if 的编译时测试方法。

2.1.1 测试表达式
类似于 静态断言 (static assert)，编译时测试的对象是 常量表达式 (constexpr)，即编译时能得出结果的表达式。以不同的常量表达式作为参数，可以构造各种需要的模板重载。例如，代码 1 演示了如何构造 谓词 (predicate) isZero，编译时判断 Val 是不是 0。

template struct _isZero {
constexpr static bool value = false;
};

template <> struct _isZero <0> {
constexpr static bool value = true;
};

template
constexpr bool isZero = _isZero::value;

static_assert (!isZero<1>, “compile error”);
static_assert (isZero<0>, “compile error”);
代码 1 - 编译时测试表达式

2.1.2 测试类型
在元编程的很多应用场景中，需要对类型进行测试，即对不同的类型实现不同的功能。而常见的测试类型又分为两种：判断一个类型 是否为特定的类型 和 是否满足某些条件。前者可以通过对模板的 特化 直接实现；后者既能通过 替换失败不是错误 SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error) 规则进行最优匹配 [14]，又能通过 标签派发 (tag dispatch) 匹配可枚举的有限情况 [15]。

为了更好的支持 SFINAE，C++ 11 的 除了提供类型检查的谓词模板 is_/has_，还提供了两个重要的辅助模板 [14]：

std::enable_if 将对条件的判断 转化为常量表达式，类似测试表达式（§ 2.1.1）实现重载的选择（但需要添加一个冗余的 函数参数/函数返回值/模板参数）；
std::void_t 直接 检查依赖 的成员/函数是否存在，不存在则无法重载（可以用于构造谓词，再通过 std::enable_if 判断条件）。
是否为特定的类型 的判断，类似于代码 1，将 unsigned Val 改为 typename Type；并把传入的模板参数由 值参数 改为 类型参数，根据最优原则匹配重载。

是否满足某些条件 的判断，在代码 2 中，展示了如何将 C 语言的基本类型数据，转换为 std::string 的函数 ToString。代码具体分为三个部分：

首先定义三个 变量模板isNum/isStr/isBad，分别对应了三个类型条件的谓词（使用了 中的 std::is_arithmetic 和 std::is_same）；
然后根据 SFINAE 规则，使用 std::enable_if 重载函数 ToString，分别对应了数值、C 风格字符串和非法类型；
在前两个重载中，分别调用 std::to_string 和 std::string 构造函数；在最后一个重载中，静态断言直接报错。
template
constexpr bool isNum = std::is_arithmetic::value;

template
constexpr bool isStr = std::is_same::value;

template
constexpr bool isBad = !isNum && !isStr;

template
std::enable_if_t ToString (T num) {
return std::to_string (num);
}

template
std::enable_if_t ToString (T str) {
return std::string (str);
}

template
std::enable_if_t ToString (T bad) {
static_assert (sizeof (T) == 0, “neither Num nor Str”);
}

auto a = ToString (1); // std::to_string (num);
auto b = ToString (1.0); // std::to_string (num);
auto c = ToString (“0x0”); // std::string (str);
auto d = ToString (std::string {}); // not compile
代码 2 - 编译时测试类型

根据 两阶段名称查找 (two-phase name lookup) [16] 的规定：如果直接使用 static_assert (false) 断言，会在模板还没实例化的第一阶段编译失败；所以需要借助 类型依赖 (type-dependent) 的 false 表达式（一般依赖于参数 T）进行失败的静态断言。

类似的，可以通过定义一个 变量模板 template constexpr bool false_v = false;，并使用 false_v 替换 sizeof (T) == 0。[17]

2.1.3 使用 if 进行编译时测试
对于初次接触元编程的人，往往会使用 if 语句进行编译时测试。代码 3 是 代码 2 一个 错误的写法，很代表性的体现了元编程和普通编程的不同之处（§ 1.1）。

template
std::string ToString (T val) {
if (isNum) return std::to_string (val);
else if (isStr) return std::string (val);
else static_assert (!isBad, “neither Num nor Str”);
}
代码 3 - 编译时测试类型的错误用法

代码 3 中的错误在于：编译代码的函数 ToString 时，对于给定的类型 T，需要进行两次函数绑定 —— val 作为参数分别调用 std::to_string (val) 和 std::string (val)，再进行一次静态断言 —— 判断 !isBad 是否为 true。这会导致：两次绑定中，有一次会失败。假设调用 ToString (“str”)，在编译这段代码时，std::string (const char *) 可以正确的重载，但是 std::to_string (const char *) 并不能找到正确的重载，导致编译失败。

假设是脚本语言，这段代码是没有问题的：因为脚本语言没有编译的概念，所有函数的绑定都在 运行时 完成；而静态语言的函数绑定是在 编译时 完成的。为了使得代码 3 的风格用于元编程，C++ 17 引入了 constexpr-if [18] —— 只需要把以上代码 3 中的 if 改为 if constexpr 就可以编译了。

constexpr-if 的引入让模板测试更加直观，提高了模板代码的可读性（§ 4.1）。代码 4 展示了如何使用 constexpr-if 解决编译时选择的问题；而且最后的 兜底 (catch-all) 语句，不再需要 isBad 谓词模板，可以使用类型依赖的 false 表达式进行静态断言（但也不能直接使用 static_assert (false) 断言）。[18]

template
std::string ToString (T val) {
if constexpr (isNum) return std::to_string (val);
else if constexpr (isStr) return std::string (val);
else static_assert (false_v, “neither Num nor Str”);
}
代码 4 - 编译时测试类型的正确用法

然而，constexpr-if 背后的思路早在 Visual Studio 2012 已出现了。其引入了 __if_exists 语句，用于编译时测试标识符是否存在。[19]

2.2 编译时迭代
编译时迭代 和面向过程编程中的 循环语句 (loop statement) 类似，用于实现与 for / while / do 类似的循环逻辑。

在 C++ 17 之前，和普通的编程不同，元编程的演算规则是纯函数的，不能通过 变量迭代 实现编译时迭代，只能用 递归 (recursion) 和 特化 的组合实现。一般思路是：提供两类重载 —— 一类接受 任意参数，内部 递归 调用自己；另一类是前者的 模板特化 或 函数重载，直接返回结果，相当于 递归终止条件。它们的重载条件可以是 表达式 或 类型（§ 2.1）。

而 C++ 17 提出了 折叠表达式 (fold expression) 的语法，化简了迭代的写法。

2.2.1 定长模板的迭代
代码 5 展示了如何使用 编译时迭代 实现编译时计算阶乘（N!）。函数 _Factor 有两个重载：一个是对任意非负整数的，一个是对 0 为参数的。前者利用递归产生结果，后者直接返回结果。当调用 _Factor<2> 时，编译器会展开为 2 * _Factor<1>，然后 _Factor<1> 再展开为 1 * _Factor<0>，最后 _Factor<0> 直接匹配到参数为 0 的重载。

template
constexpr unsigned _Factor () { return N * _Factor (); }

template <>
constexpr unsigned _Factor<0> () { return 1; }

template
constexpr unsigned Factor = _Factor ();

static_assert (Factor<0> == 1, “compile error”);
static_assert (Factor<1> == 1, “compile error”);
static_assert (Factor<4> == 24, “compile error”);
代码 5 - 编译时迭代计算阶乘（N!）

2.2.2 变长模板的迭代
为了遍历变长模板的每个参数，可以使用 编译时迭代 实现循环遍历。代码 6 实现了对所有参数求和的功能。函数 Sum 有两个重载：一个是对没有函数参数的情况，一个是对函数参数个数至少为 1 的情况。和定长模板的迭代类似（§ 2.2.1），这里也是通过 递归 调用实现参数遍历。

template
constexpr auto Sum () {
return T (0);
}

template
constexpr auto Sum (T arg, Ts… args) {
return arg + Sum (args…);
}

static_assert (Sum () == 0, “compile error”);
static_assert (Sum (1, 2.0, 3) == 6, “compile error”);
代码 6 - 编译时迭代计算和（Σ）

2.2.3 使用折叠表达式化简编译时迭代
在 C++ 11 引入变长模板时，就支持了在模板内直接展开参数包的语法 [11]；但该语法仅支持对参数包里的每个参数进行 一元操作 (unary operation)；为了实现参数间的 二元操作 (binary operation)，必须借助额外的模板实现（例如，代码 6 定义了两个 Sum 函数模板，其中一个展开参数包进行递归调用）。

而 C++ 17 引入了折叠表达式，允许直接遍历参数包里的各个参数，对其应用 二元运算符 (binary operator) 进行 左折叠 (left fold) 或 右折叠 (right fold)。[20] 代码 7 使用初始值为 0 的左折叠表达式，对代码 6 进行改进。

template
constexpr auto Sum (Ts… args) {
return (0 + … + args);
}

static_assert (Sum () == 0, “compile error”);
static_assert (Sum (1, 2.0, 3) == 6, “compile error”);
代码 7 - 编译时折叠表达式计算和（Σ）

3 元编程的基本应用
利用元编程，可以很方便的设计出 类型安全 (type safe)、运行时高效 (runtime effective) 的程序。到现在，元编程已被广泛的应用于 C++ 的编程实践中。例如，Todd Veldhuizen 提出了使用元编程的方法构造 表达式模板 (expression template)，使用表达式优化的方法，提升向量计算的运行速度 [21]；K. Czarnecki 和 U. Eisenecker 利用模板实现 Lisp 解释器 [22]。

尽管元编程的应用场景各不相同，但都是三类基本应用的组合：数值计算 (numeric computation)、类型推导 (type deduction) 和 代码生成 (code generation)。例如，在 BOT Man 设计的 对象关系映射 (object-relation mapping, ORM) 中，主要使用了 类型推导 和 代码生成 的功能。根据 对象 (object) 在 C++ 中的类型，推导出对应数据库 关系 (relation) 中元组各个字段的类型；将对 C++ 对象的操作，映射到对应的数据库语句上，并生成相应的代码。[23] [24]

3.1 数值计算
作为元编程的最早的应用，数值计算可以用于 编译时常数计算 和 优化运行时表达式计算。

编译时常数计算 能让程序员使用程序设计语言，写编译时确定的常量；而不是直接写常数（迷之数字 (magic number)）或 在运行时计算这些常数。例如，§ 2.2 的几个例子（代码 5, 6, 7）都是编译时对常数的计算。

最早的有关元编程 优化表达式计算 的思路是 Todd Veldhuizen 提出的。[21] 利用表达式模板，可以实现部分求值、惰性求值、表达式化简等特性。

3.2 类型推导
除了基本的数值计算之外，还可以利用元编程进行任意类型之间的相互推导。例如，在 领域特定语言 (domain-specific language) 和 C++ 语言原生结合时，类型推导可以实现将这些语言中的类型，转化为 C++ 的类型，并保证类型安全。

BOT Man 提出了一种能编译时进行 SQL 语言元组类型推导的方法。[24] C++ 所有的数据类型都不能为 NULL；而 SQL 的字段是允许为 NULL 的，所以在 C++ 中使用 std::optional 容器存储可以为空的字段。通过 SQL 的 outer-join 拼接得到的元组的所有字段都可以为 NULL，所以 ORM 需要一种方法：把字段可能是 std::optional 或 T 的元组，转化为全部字段都是 std::optional 的新元组。

template struct TypeToNullable {
using type = std::optional;
};
template struct TypeToNullable {
using type = std::optional;
};

template
auto TupleToNullable (const std::tuple &) {
return std::tuple {};
}

auto t1 = std::make_tuple (std::optional {}, int {});
auto t2 = TupleToNullable (t1);
static_assert (!std::is_same<
std::tuple_element_t<0, decltype (t1)>,
std::tuple_element_t<1, decltype (t1)>

::value, “compile error”);
static_assert (std::is_same<
std::tuple_element_t<0, decltype (t2)>,
std::tuple_element_t<1, decltype (t2)>
::value, “compile error”);
代码 8 - 类型推导

代码 8 展示了这个功能：

定义 TypeToNullable，并对 std::optional 进行特化，作用是将 std::optional 和 T 自动转换为 std::optional；
定义 TupleToNullable，拆解元组中的所有类型，转化为参数包，再把参数包中所有类型分别传入 TypeToNullable，最后得到的结果重新组装为新的元组。
3.3 代码生成
和泛型编程一样，元编程也常常被用于代码的生成。但是和简单的泛型编程不同，元编程生成的代码往往是通过 编译时测试 和 编译时迭代 的演算推导出来的。例如，§ 2.1.2 中的代码 2 就是一个将 C 语言基本类型转化为 std::string 的代码的生成代码。

在实际项目中，我们往往需要将 C++ 数据结构，和实际业务逻辑相关的 领域模型 (domain model) 相互转化。例如，将承载着领域模型的 JSON 字符串 反序列化 (deserialize) 为 C++ 对象，再做进一步的业务逻辑处理，然后将处理后的 C++ 对象 序列化 (serialize) 变为 JSON 字符串。而这些序列化/反序列化的代码，一般不需要手动编写，可以自动生成。

BOT Man 提出了一种基于 编译时多态 (compile-time polymorphism) 的方法，定义领域模型的 模式 (schema)，自动生成领域模型和 C++ 对象的序列化/反序列化的代码。[25] 这样，业务逻辑的处理者可以更专注于如何处理业务逻辑，而不需要关注如何做底层的数据结构转换。

4 元编程的主要难点
尽管元编程的能力丰富，但学习、使用的难度都很大。一方面，复杂的语法和运算规则，往往让初学者望而却步；另一方面，即使是有经验的 C++ 开发者，也可能掉进元编程 “看不见的坑” 里。

4.1 复杂性
由于元编程的语言层面上的限制较大，所以许多的元编程代码使用了很多的 编译时测试 和 编译时迭代 技巧，可读性 (readability) 都比较差。另外，由于巧妙的设计出编译时能完成的演算也是很困难的，相较于一般的 C++ 程序，元编程的 可写性 (writability) 也不是很好。

现代 C++ 也不断地增加语言的特性，致力于降低元编程的复杂性：

C++ 11 的 别名模板（§ 1.4）提供了对模板中的类型的简记方法；
C++ 14 的 变量模板（§ 1.4）提供了对模板中常量的简记方法；
C++ 17 的 constexpr-if（§ 2.1.3）提供了 编译时测试 的新写法；
C++ 17 的 折叠表达式（§ 2.2.3）降低了 编译时迭代 的编写难度。
基于 C++ 14 的 泛型 lambda 表达式（§ 1.4.2），Louis Dionne 设计的元编程库 Boost.Hana 提出了 不用模板就能元编程 的理念，宣告从 模板元编程 (template metaprogramming) 时代进入 现代元编程 (modern metaprogramming) 时代。[26] 其核心思想是：只需要使用 C++ 14 的泛型 lambda 表达式和 C++ 11 的 constexpr/decltype，就可以快速实现元编程的基本演算了。

4.2 实例化错误
模板的实例化 和 函数的绑定 不同：在编译前，前者对传入的参数是什么，没有太多的限制；而后者则根据函数的声明，确定了应该传入参数的类型。而对于模板实参内容的检查，则是在实例化的过程中完成的（§ 4.2）。所以，程序的设计者在编译前，很难发现实例化时可能产生的错误。

为了减少可能产生的错误，Bjarne Stroustrup 等人提出了在 语言层面 上，给模板上引入 概念 (concept)。[1] 利用概念，可以对传入的参数加上 限制 (constraint)，即只有满足特定限制的类型才能作为参数传入模板。[27] 例如，模板 std::max 限制接受支持运算符 < 的类型传入。但是由于各种原因，这个语言特性一直没有能正式加入 C++ 标准（可能在 C++ 20 中加入）。尽管如此，编译时仍可以通过 编译时测试 和 静态断言 等方法（§ 2.1.2）实现检查。

另外，编译时模板的实例化出错位置，在调用层数较深处时，编译器会提示每一层实例化的状态，这使得报错信息包含了很多的无用信息，很难让人较快的发现问题所在。BOT Man 提出了一种 短路编译 (short-circuit compiling) 的方法，能让基于元编程的 库 (library)，给用户提供更人性化的编译时报错。具体方法是，在 实现 (implementation) 调用需要的操作之前，接口 (interface) 先检查是传入的参数否有对应的操作；如果没有，就通过短路的方法，转到一个用于报错的接口，然后停止编译并使用 静态断言 提供报错信息。[24] Paul Fultz II 提出了一种类似于 C++ 20 “概念/限制” 的接口检查方法，通过定义概念对应的 特性 (traits) 模板，然后在使用前检查特性是否满足。[28]

4.3 代码膨胀
由于模板会对所有不同模板实参都进行一次实例化，所以当参数的组合很多的时候，很可能会发生 代码膨胀 (code bloat)，即产生体积巨大的代码。这些代码可以分为两种：死代码 (dead code) 和 有效代码 (effective code)。

在元编程中，很多时候只关心推导的结果，而不是过程。例如，§ 2.2.1 的代码 5 中，只关心最后的 Factor<4> == 24，而不需要中间过程中产生的临时模板。但是在 N 很大的时候，编译会产生很多临时模板。这些临时模板是 死代码，即不被执行的代码。所以，编译器会自动优化最终的代码生成，在 链接时 (link-time) 移除这些无用代码，使得最终的目标代码不会包含它们。尽管如此，如果产生过多的死代码，会浪费宝贵的 编译时间。（在 § 4.4 中详细讨论）

另一种情况下，展开的代码都是 有效代码，即都是被执行的，但是又由于需要的参数的类型繁多，最后的代码体积仍然很大。编译器很难优化这些代码，所以程序员应该在 设计时编码代码膨胀。Bjarne Stroustrup 提出了一种消除 冗余运算 (redundant calculation) 的方法，用于缩小模板实例体积。具体思路是，将不同参数实例化得到的模板的 相同部分 抽象为一个 基类 (base class)，然后 “继承” 并 “重载” 每种参数情况的 不同部分，从而实现更多代码的共享。

例如，在 std::vector 的实现中，对 T * 和 void * 进行了特化；然后将所有的 T * 的实现 继承 到 void * 的实现上，并在公开的函数里通过强制类型转换，进行 void * 和 T * 的相互转换；最后这使得所有的指针的 std::vector 就可以共享同一份实现，从而避免了代码膨胀。（代码 9）

template class vector; // general
template class vector; // partial spec
template <> class vector; // complete spec

template
class vector : private vector
{
using Base = Vector;
public:
T∗& operator[] (int i) {
return reinterpret_cast(Base::operator[] (i));
}
…
}
代码 9 - 特化 std::vector 避免代码膨胀 [1]

4.4 编译性能
元编程尽管不会带来额外的 运行时开销 (runtime overhead)，但如果过度使用，可能会大大增加编译时间（尤其是在大型项目中）。为了提高元编程的编译性能，需要使用特殊的技巧进行优化。为了衡量编译性能的优化效果，Louis Dionne 设计了一个基于 CMake 的编译时间基准测试框架。[29]

Chiel Douwes 对元编程中的常用模板操作进行了深入分析，对比了几种 模板操作的代价 (Cost of operations: The Rule of Chiel)（没有提到 C++ 14 的变量模板；从高到低）：[30]

替换失败不是错误 SFINAE
实例化 函数模板
实例化 类模板
使用 别名模板
添加参数到 类模板
添加参数到 别名模板
使用 缓存的类型
基于以上原则，Odin Holmes 设计了类型运算库 Kvasir，相比基于 C++ 98/11 的类型运算库，拥有极高的编译性能。[30]

另外，Mateusz Pusz 总结了一些元编程性能的实践经验。例如，基于 C++ 11 别名模板的 std::conditional_t 和基于 C++ 14 变量模板的 std::is_same_v 都比基于 std::conditional/std::is_same 的传统方案更快。代码 10 展示了基于 std::is_same 和直接基于变量模板的 std::is_same_v 的实现。

// traditional, slow
template
struct is_same : std::false_type {};
template
struct is_same : std::true_type {};
template
constexpr bool is_same_v = is_same::value;

// using variable template, fast
template
constexpr bool is_same_v = false;
template
constexpr bool is_same_v = true;
代码 10 - 优化前后的 std::is_same_v

4.5 调试模板
元编程在运行时主要的难点在于：对模板代码的 调试 (debugging)。如果需要调试的是一段通过很多次的 编译时测试（§ 2.1）和 编译时迭代（§ 2.2）展开的代码，即这段代码是各个模板的拼接生成的（而且展开的层数很多）；那么，调试时需要不断地在各个模板的 实例 (instance) 间来回切换。这种情景下，调试人员很难把具体的问题定位到展开后的代码上。

所以，一些大型项目很少使用复杂的代码生成技巧（§ 3.3），而是通过传统的代码生成器生成重复的代码，易于调试。例如 Chromium 的 通用扩展接口 (common extension api) 通过定义 JSON/IDL 文件，通过代码生成器生成相关的 C++ 代码，同时还可以生成接口文档。[31]

5 总结
C++ 元编程的出现，是一个无心插柳的偶然 —— 人们发现 C++ 语言提供的模板抽象机制，能很好的被应用于元编程上。借助元编程，可以写出 类型安全、运行时高效 的代码。但是，过度的使用元编程，一方面会 增加编译时间，另一方面会 降低程序的可读性。不过，在 C++ 不断地演化中，新的语言特性被不断提出，为元编程提供更多的可能。

本文主要内容是我对 C++ 元编程的 个人理解。对本文有什么问题，欢迎斧正。

This article is published under MIT License © 2017, BOT Man

参考文献
[1] ^^^^^^ Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language (Fourth Edition) [M] Addison-Wesley, 2013.
[2] ^ David R. Musser, Alexander A. Stepanov. Generic Programming [C] // P. Gianni. In Symbolic and Algebraic Computation: International symposium ISSAC, 1988: 13–25.
[3] ^ Bjarne Stroustrup: The Design and Evolution of C++ [M] Addison-Wesley, 1994.
[4] ^ Erwin Unruh. Primzahlen Original [EB/OL] http://www.erwin-unruh.de/primorig.html
[5] ^ Todd Veldhuizen. Using C++ template metaprograms [C] // S. B. Lippman. In C++ Report, 1995, 7(4): 36-43.
[6] ^ Andrei Alexandrescu. Modern C++ Design [M] Addison-Wesley, 2001.
[7] ^ D Language Foundation. Home - D Programming Language [EB/OL] https://dlang.org/
[8] ^ cppreference.com. constexpr specifier [EB/OL] http://en.cppreference.com/w/cpp/language/constexpr
[9] ^ cppreference.com. Templates [EB/OL] http://en.cppreference.com/w/cpp/language/templates
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