C++惯用法：metafunction（元函数）

 

元函数：编译期的函数

Metafunction: compile-time analogs of runtime functions

 

与运行期使用函数封装算法相对应，在C++编译期同样存在着封装算法进行编译期计算的需要。元函数（metafunction）便是实现这一需求的主要手段。元函数这一概念最早是由Boost.MPL类库提出并定义的。

 

作为在编译期进行计算的函数，元函数具有以下不同于运行期函数的特点：

1. 输入（即参数）与输出（即返回值）均只包含两种类型：1)类型（名）2)整形常量。
2. 可以返回一个或多个值，但不能没有返回值。
3. 没有副作用：元函数在计算过程中既不能改变参数的值，也不具备“向控制台输入输出”之类的附加功能。

 

元函数的分类

Kinds of Metafunction

 

按照返回值的类型来划分，元函数可分为以下两大类：

1. type型元函数：返回类型（名）的元函数，也就是在编译期进行类型计算的元函数。
   示例代码1：template <bool B, class L, class R> struct IF { typedef R type; }; template <class L, class R> struct IF<true, L, R> { typedef L type; }; IF<false, int, long>::type i; // is equivalent to long i; IF<true, int, long>::type i; // is equivalent to int i; 示例代码1定义了一个用于编译期类型选择的元函数IF，其实现依赖于类模板IF及其特化。
   元函数IF的输入由3个模板参数构成：布尔类型B，类型名L，类型名R。
   元函数IF的输出也就是需要返回的类型由typedef语句来定义，用于返回的类型名为type。
   此处用于返回的类型名取名为type是为了遵循Boost.MPL类库的惯例。
   若B的值为true，则元函数IF返回类型名L。（此分支由模板特化来定义）
   若B的值为false，则元函数IF返回类型名R。（此分支由主模板来定义）
   此处用struct关键字而不是class关键字来定义类模板的理由是：元函数IF的返回类型必须能被外界所访问，即type的访问权限必须是public。
2. value型元函数：返回整形常量的元函数，也就是在编译期进行常量计算的元函数。
   示例代码2：template <int N> struct Factorial { enum { value = N * Factorial<N - 1>::value }; //static const int value = N * Factorial<N - 1>::value; }; template <> struct Factorial<0> { enum { value = 1 }; //static const int value = 1; }; // Factorial<4>::value == 24 // Factorial<0>::value == 1 void foo() { int x = Factorial<4>::value; // == 24 int y = Factorial<0>::value; // == 1 } 示例代码2定义了一个用于编译期计算阶乘的元函数Factorial，其实现依赖于类模板Factorial及其特化。
   元函数Factorial的输入仅由1个模板参数构成：整数类型N。
   元函数Factorial的输出也就是需要返回的整形常量由枚举或静态整形常量来定义，用于返回的常量名为value。
   此处用于返回的常量名取名为value是为了遵循Boost.MPL类库的惯例。
   若N的值为0，则元函数Factorial返回1。（此分支由模板特化来定义）
   若N的值大于0，则元函数Factorial返回N*Factorial(N-1)。（此分支由主模板来定义）
   此处用struct关键字而不是class关键字来定义类模板的理由是：元函数Factorial的返回值必须能被外界所访问，即value的访问权限必须是public。

 

返回多值的元函数

Metafunction with "Multiple returns"

 

与运行期的函数有所不同，编译期所定义的元函数也可返回不止一个值。

Boost.MPL类库中的Integral Constant Wrapper（整形常量包装器）就属于这种返回多个类型名及整形常量的元函数。
示例代码3： template< bool x > struct bool_ { static bool const value = x; typedef bool_<x> type; typedef bool value_type; operator bool() const { return x; } }; typedef bool_<false> false_; typedef bool_<true> true_; 示例代码3（取自Boost.MPL类库）实现了一个布尔常量的包装器。
元函数bool_共有3个返回值。
1) 布尔值value。
2) 元函数自身的类型type。
3) 布尔值value的类型value_type。
根据元函数bool_的定义，不难推出以下等式为真。
1) false_::value == false。
2) true_::type::value == true。

 

零参数元函数

Nullary Metafunction

 

元函数也可不用类模板而用普通的类来定义，此时元函数的参数个数为0，即元函数没有输入只有输出。
示例代码4： struct always_int { typedef int type; };

 

“成员”元函数

Member Metafunction

 

元函数也可在类或类模板中定义，即元函数通过嵌套类的方式来实现。

这种元函数可称作“成员”元函数，也可称作“元方法”。
示例代码5： template <typename T> struct value { BOOST_STATIC_ASSERT( mpl::not_<is_reference<T> >::value != 0); typedef mpl::false_ no_nullary; template <typename Env> struct result { typedef T type; }; value(T const& arg) : val(arg) {} template <typename Env> T const& eval(Env const&) const { return val; } T val; }; 在示例代码5（取自Boost.Pheonix类库）中，类模板value总共定义了2个元方法。
1) value型元方法no_nullary。
   这里no_nullary被定义为false_的同义词，false_的定义可参见示例代码3。
2) type型元方法result。

 

高阶元函数

Higher-order Metafunction

 

元函数的参数也可以是另一个元函数，这种元函数被称作高阶元函数。Boost.MPL类库中的transform就属于高阶元函数。

 

元函数 vs 函数

Metafunction vs Function

 

	编译期“元函数”	运行期“函数”
是否允许返回多值	是	否
是否允许不返回值	否	是
是否存在副作用	否	是
是否允许零参数	是	是
能否作为类成员	是	是
是否存在高阶函数	是	是