跟我学c++中级篇——变量模板

一、变量模板（Variable Templates）

在前面的“C++11中对模板的支持”中，对变量模板进行过基本的描述。变量模板的用处也分析的比较简单，本篇文章专门把这个变量模板拿出来，对其进行更详细的说明。c++14以后，c++的新的标准提供了对变量模板的支持。变量模板的作用，其实仍然是对模板编程的支持，简化定义，增加对模板化常量的支持。其基本的语法形式如下：

template < parameter-list > variable-declaration		
variable-declaration -	a declaration of a variable. The declared variable name becomes a template name.
parameter-list -	a non-empty comma-separated list of the template parameters, each of which is either non-type parameter, a type parameter, a template parameter, or a parameter pack                         of any of those.

按上面的语法表示可以看出，变量模板的定义还是非常简单的，它的模板参数支持非类型形参、类型形参和模板形参。

二、作用和应用

1、基础使用
看一个基本的定义：

template T Var{};//零初始化Var

模板可以有默认的模板实参，先看一下大家广为熟悉的PI的定义：

template
constexpr T pi = T{3.1415926535897932385};

2、对模板化常量的支持
其实就是对默认值的定义，仍然以PI为例程：

template
constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L); // 变量模板；需要推导T的类型

3、非类型模板参数
非类型模板参数一般是指整数类型、指针和成员指针类型以及左值引用类型、枚举类型（c++11起）；另外从c++20开始支持浮点类型和一些特定的字面类型。看下面的例子：

template
std::array arr{}; // N个元素的数组，零初始化（译注，使用initializer进行初始化）

template
constexpr decltype(N) dval = N; // dval的类型依赖于传入的值;C++20起支持auto

4、数据成员的简化使用
在以前的模板类成员的使用过程中，在引用类模板中的静态成员时，还是有点复杂，看一下例子：

template
class Min
{
public:
    static constexpr int min = 1;
};
//使用
auto min = Min::min

而如果使用变量模板对不同的情况进行特化：

//特化定义
template
int myMin = Min::min;
//使用
auto min = myMin;

另外一个就是从c++17起对类型后缀_v的简化,在c++17以前使用某个SFINAE中的函数时，一般会有类似std::is_const::value的用法，但在之后就会见到std::is_const_v，采用就的就是变量模板定义的方式：

namespace std
{
    template constexpr bool is_const_v = is_const::value;
}

5、变量模板全特化和偏特化
既然是模板就会有全特化和偏特化：

//全特化
template constexpr std::size_t SZ = sizeof(T);
template<> constexpr std::size_t SZ = 0;

//偏特化
template constexpr std::size_t SZ1 = sizeof(T);
template constexpr std::size_t SZ1 = sizeof(void*);

在c++14以前即未引入变量模板以前，参数化变量一般使用类模板的静态数据成员或者constexpr 函数模板来返回所需要的值。而有这个变量模板后，一切都变得简单了。

三、例程

下面看一下具体应用的例子：

//简化的例子和非类型参数
#include 
#include 

template
std::array arr{}; // 定义数组并初始化

template
constexpr decltype(N) dval = N;  

void TestArray()
{
    std::cout << dval<'c'> << std::endl;  

    arr<10>[0] = 42; // 设置全局arr第1个元素的值
    for (std::size_t i = 0; i < arr<10>.size(); ++i) 
    { // 使用arr中的值
        std::cout << arr<10>[i] << std::endl;
    }
}
namespace  mystd {
    template
    class numeric_limits 
    {
    public:

        static constexpr bool is_signed = false;

    };
}
//可以定义：
template
constexpr bool isSigned = mystd::numeric_limits::is_signed;
void TestSimple() 
{
    bool sig = isSigned;
    std::cout << "mystd numeric_limits is:" << sig << std::endl;
}
int main()
{
    TestArray();
    TestSimple();
   
    return 0;
}

再看一个返回值的例子：

//返回值例子
template
constexpr T PI = T(3.1415926535897932385);

template
T VAL = T(3.1415926535897932385);

template
T circular_area(T r)
{
    return PI*r*r;
}

int main()
{
    VAL = 3.1415;
    std::cout << VAL << std::endl;
    std::cout << VAL<> << std::endl;
    std::cout << PI << std::endl;
    std::cout << PI << std::endl;
    std::cout << circular_area(2.0) << std::endl;   
    return 0;
}

对于常量和变量的表示，变量模板都可以很好实现。通过上面的例子可以清晰的看到其用法。习惯了C编程的同学，可能说用宏定义一个PI不更香么，这个就看你对语言理解的深度和广度了，也考验每个开发人员对不同的开发场景的设计应用了。
没有最好，只有最合适。理论再好，不符合实际情况反而不妙。这个就需要每个人自己去思考。

四、总结

从上面的变量模板的使用可以看出，其实这和模板进一步编程风格的统一有着很大的关系。当然，在这个过程中，也将一些编程的复杂度进一步降低，特别对一些本身就是一种常量的表示进一步完善代码风格。换句话说，在统一编程风格的基础上，进一步简化一些冗余的代码表示。
总之，c++的模板编程是一个很重要的发展方向，对其不断的进行完善和发展也符合c++发展的目标和希望。