EffectiveC++ | 48 认识 template 元编程

条款48：认识 template 元编程

TMP介绍

**template metaprogramming（TMP，模板元编程）**是编写 template C++ 程序并执行于编译期的过程。

所谓模板元程序就是：以 C++ 写成，执行于 C++ 编译器内的程序。

TMP程序的输出就是从 templates 具现出来的若干 C++ 源码，然后再被编译。可以理解为对调用templates 的地方进行适配。

由于 template metaprograms 执行于 C++ 编译期，因此可以将很多工作从运行期转移到编译期。这会导致2个结果：

• 某些在运行期才能检测出来的错误，在编译器即可找出来；
• 使用TMP的C++程序可能在每一方面都更加高效：比如较小的可执行文件，较短的运行期，较少的内存需求。

缺点也很明显，将工作移至编译期，会导致编译时间变长

回溯条款47

条款 47 讨论的traits，其实就是一个元编程的例子。将原本运行期间通过 if…else 检查的工作转移到编译器检查。

回顾一下实现一个 Advance函数的伪代码

template <typename IteratorType, typename DistT>
void Advance(IteratorType& iter, DistT d) {
  if (typeid(typename std::iterator_traits<IteratorType>::iterator_category) ==
      typeid(std::random_access_iterator_tag)) {
    iter += d;  //针对random access 迭代器使用迭代器算术运算
  } else {
    if (d >= 0) {  //针对其他迭代器类型,反复调用＋＋或－－
      while (d--) ++iter;
    } else {
      while (d++) --iter;
    }
  }
}

int main() {
  std::list<int>::iterator iter;
  Advance(iter, 10);
  return 0;
}

编译会报错

randy.cpp: In instantiation of ‘void Advance(IteratorType&, DistT) [with IteratorType = std::_List_iterator<int>; DistT = int]’:
randy.cpp:25:19:   required from here
randy.cpp:13:10: error: no match for ‘operator+=’ (operand types are ‘std::_List_iterator<int>’ and ‘int’)
   13 |     iter += d;  //针对random access 迭代器使用迭代器算术运算
      |     ~~~~~^~~~

问题出在list::iterator尝试使用 +=操作符，但 list::iterator 是 bidirectional 迭代器，并不支持 +=。只有 random access 迭代器才支持+=。

这里你可能会好奇为什么我已经加了if…else 判断了，根本不会执行+=操作，为什么编译期还会报错？

这是因为编译器必须确保所有源码都有效，即使是不会执行的源码。

这也就是 if…else 是在程序运行期间才能判断的，但是编译期间纵然不会判断，但是编译器还是要用 list::iterator 去 if 中判断一下，保证程序能够进行，不能进行就会报错。

所以 traits-based TMP 解法， 其针对不同类型而进行的代码，被拆分为不同的函数，每个函数所使用的的操作都可施行于该函数所对付的类型。

TMP 已被证明是一个图灵完备（Turing-complete）机器

意思是，它可以计算任何事物。

使用 TMP 你可以声明变量，执行循环，编写及调用函数…但这些相对于“正常的” C++ 的实现会有很大的不同。比如：TMP 并没有循环部件，所有的循环效果都由递归（recursion）完成。

TMP的递归涉及“递归模板具现化”，因为TMP的循环并不涉及递归函数调用。

例如，利用TMP在编译期计算阶乘

template <unsigned n>
struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n - 1>::value };
};

template <>
struct Factorial<0> {
  enum { value = 1 };
};

int main() {
  std::cout << Factorial<5>::value << std::endl; // 结果： 120
  std::cout << Factorial<10>::value << std::endl; // 结果： 3628800

  return 0;
}

每个 Factorial template 具现体都是一个 struct，每个 struct 都使用 enum back 声明一个名为 value 的 TMP 变量， value 用来保存当前计算所得的阶乘值。

和所有递归行为一样，我们需要一个特殊情况来结束递归。对于 TMP 而言就是使用 tmeplate的特化版本Factorial<0> 。

请记住

1. Template metaprogramming（TMP，模板元编程）可将工作由运行期移往编译期，因而得以实现早期错误侦测和更高的执行效率。
2. TMP 可被用来生成基于政策选择组合（based on combination of policy choices）的客户定制代码，也可用来避免生成对某些特殊类型并不合适的代码。

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