理解模板编程中的Trait和Mataprogram

不知道为什么，我最近越来越觉得C++太难了，也许是因为我也陷入到扣语言细节的泥沼了吧。不过换个角度来讲，C++之所以这么有吸引力，也多亏了它有这么多复杂的细节，正是因为这些细节不断被发掘，才更加引得C++程序员激情四射、奋不顾身。比如说模板元编程，C++模板在设计之初根本没有想到模板元编程这回事，更没想到C++模板系统是图灵完备的，结果1994年Erwin Unruh提数了可以使用模板在编译器进行某些计算后，无数的大牛人便前仆后继，将模板编程发挥到了极致。

我想我也是属于那种没事找抽的人，要不然我为什么会抱着《C++ Templates》这本书看呢？奈何我能力有限，兼且经验不足，使用C++的时候少，使用模板的时候更少，所以对于书中的内容，要么就是看了不是很懂，要么就是看了也不知道它有什么用。但是也不是完全没有收获，对于以前两个百思不得其解的问题，也还算是灵光一闪、豁然贯通了。

其中一个是Trait，这是我以前在使用STL和ATL库的时候遇到过的，虽然想不透其中的奥妙，但是不影响我写程序。另外一个是模板元编程，只听说过，如雷灌耳，但是却从来没有见过，也想象不出它的原理，《C++ Templates》终于让我看到了它的庐山真面目。

先来说说Trait，这是一个在C++ Template编程中经常用到的一个设计机制，我在使用STL库中的basic_string时见到过，其定义如下：

template  <
    class  CharType,
    class  Traits = char_traits < CharType > , 
    class  Allocator = allocator < CharType >  
>
class  basic_string

其中就有一个模板参数为Traits，而它的默认值为char_traits<CharType>，这里的char_traits<>就是一个trait类，它可以提供关于CharType的特征信息。我们常用的string类的定义如下：

typedef basic_string < char >   string

如果我们把它的默认模板参数带入，就可以看到string的形式是这样的：

basic_string <   char , char_traits < char > , allocator < char >   >

到这里，我就迷糊了，我在想，为什么char_trait<>就能够取得char的类型信息？为什么basic_string<>就不行？难道说加上trait这几个字，模板类就有了三头六臂不成？

另外一个见到Trait的地方就是 ATL 3.0中的窗口类，这是我很早以前翻译的一篇文章，其中也使用到了Trait，在定义窗口样式的时候，其代码如下：

class  CMyWindow:  public  CWindowImpl <
   CMyWindow,
   CWindow,
   CWinTraits < WS_OVERLAPPEDWINDOW | WS_VISIBLE, 0 >  
>
{};

当时我就想了，为什么不直接把“ WS_OVERLAPPEDWINDOW | WS_VISIBLE, 0”当成模板参数传递给CWindowImpl<>算了，还非要CWinTraits<>来掺和一把？

直到现在，我终于知道，原来一直错的就是我。我不该把char_traits<>看成是一个模板类，不该认为传给它一个char它就可以读出char的特征信息，传给它一个int它就能读出int的特征信息。它当然不可能具备这么高级的功能，更不可能加上traits几个字就一下子挣脱了C++语言的束缚。

那么不把它看成一个模板类，应该怎么看呢？应该把char_traits<char>看成一个整体，说专业点，那叫模板特化，说通俗点，就是原来这里面的特征信息都是编写它的人自己定义的，如果你要让basic_string能够处理int，double之类的信息，你还得自己写一个char_traits<int>和一个char_traits<double>。CWinTraits<...>也同样是这个道理。

为了说得更清楚点，我这里举个小例子。什么例子呢？就写个计算平均值的模板函数吧，如下：

template  < typename T >
T average(T  const *  begin, T  const *  end)
{
    T total  =  T();
     int  count  =   0 ;
     while  (begin  !=  end){
        total  +=   *  begin;
         ++ begin;
         ++ count;
    }
     return  total / count;
}

下面是使用这个函数的代码，如果我们计算的类型是int，结果是正确的，如下：

int  main(){
     int  numbers[]  =  { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 };
    std::cout  <<  average( & numbers[ 0 ], & numbers[ 5 ])  <<  std::endl;
}

该程序运行的结果是3，非常正确，将数据类型换成float，double也没有问题。但是，如果是char类型，就不一定了。代码如下：

int  main(){
     char  characters[]  =   " traits " ;
    std::cout  <<  static_cast < int > (average( & characters[ 0 ], & characters[ 6 ]))  <<  std::endl;
}

运行结果为 -17，不信大家可以自己运行试一下。为什么是个负数呢？

原因是因为char类型能表示的范围只有-127到+128，几个字母一加，就溢出了。为了得到正确的结果，我们希望能有一种机制，来指定运算的时候用什么作为返回类型，这时候，traits就可以闪亮登场了。前面已经说过，要把trait<...>看成一个整体，所以应该为每一个数据类型都定义一个trait。在这个例子中，我们主要是为了对每一个运算的类型指定合适的返回类型，任务比较简单，所以，代码可以这样写：

template  < typename T >
class  TypeTraits;

template  <>
class  TypeTraits < char > {
public :
    typedef  int  ReturnType;
}

template  <>
class  TypeTraits < short > {
public :
    typedef  int  ReturnType;
}

template  <>
class  TypeTraits < int > {
public :
    typedef  int  ReturnType;
}

template  <>
class  TypeTraits < float > {
public :
    typedef  double  ReturnType;
}

函数可以改成这样：

template  < typename T,typename Traits >
typename Traits::ReturnType average(T  const *  begin, T  const *  end)
{
    typedef typename Traits::ReturnType ReturnType;
    ReturnType total  =  ReturnType();
     int  count  =   0 ;
     while  (begin  !=  end){
        total  +=   *  begin;
         ++ begin;
         ++ count;
    }
     return  total / count;
}

使用该函数的代码是这样：

int  main(){
     int  numbers[]  =  { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 };
    std::cout  <<  average < int ,TypeTraits < int >   > ( & numbers[ 0 ], & numbers[ 5 ])  <<  std::endl;
     char  characters[]  =   " traits " ;
    std::cout  <<  average < char ,TypeTraits < char >   > ( & characters[ 0 ], & characters[ 6 ])  <<  std::endl;
}

这时候，一切都正常了。只可惜模板函数不支持默认模板参数，要不然，这里的代码可以更简洁。

再来说说Template Mataprogram，中文叫模板元编程。我之能听说它，并对它不甚向往，主要是因为它有这样几个特点：
1、它编的程序不是运行的时候执行的，而是在编译的时候由编译器执行的；
2、它能够牵着编译器的鼻子走，靠的完全是符合标准的模板语法，不需要使用编译器的任何API；
3、它居然是图灵完备的，也就是说它什么事都能干。

牛吧？C++提供了一个模板机制，这些大牛们居然可以用模板把编译器耍得团团转，居然能在程序还没运行的时候就什么都能干。反正我是崇拜得五体投地。直到最近看书，才找到了它的奥秘所在，当然了，只限于基本原理。

那么，这个基本原理是怎样的呢？其实就是靠的模板的实例化，和使用枚举值或静态常量。具体来说是这样：当编译器遇到enum的定义的时候，就会对该enum进行求值，这个求值是在编译期进行的，而如果该enum对应的表达式是一个模板类的成员，则会实例化该模板类，而实例化模板类的时候，又是递归进行的，这样，就可以在递归的过程中作我们想做的任何事（理论上可以做任何事，但是以我的水平，也就只能算算加减乘除）。看起来是不是不好理解？没关系，下面看一个例子，计算N的阶乘：

template  < int  N >
class  Factorial
{
public :
     enum  { result  =  N  *  Factorial < N - 1 > ::result };
};

这下该明白了吧，为了得到Factorial<N>::result的值，就会实例化Factorial<N>，然后又会实例化Factorial<N-1>，依次类推，一直递归下去。那么什么时候结束呢？所以还需要一个特化版本：

template <>
class  Factorial < 1 >
{
public :
     enum  { result  =   1  };
}

下面写几行代码测试一下，如下：

int  main()
{
    std::cout  <<  Factorial < 10 > ::result  <<  std::endl;
     return   0 ;
}

OK，事情就这么简单。大家都知道，递归可以代替循环，就只是对内存的消耗大一些，所以递归的层次不能太多。解决了循环的问题，那么分支结构如何解决呢？

不用担心，看看下面这样的模板定义：

template  < bool  C, typename Ta, typename Tb >
class  IfThenElse;

template  < typename Ta, typename Tb >
class  IfThenElse < true , Ta, Tb > {
public :
    typedef Ta ResultT;
};

template  < typename Ta, typename Tb >
class  IfThenElse < false , Ta, Tb > {
public :
    typedef Tb ResultT;
};

一个模板类加上两个局部特化版本就解决了问题，如果第一个模板参数是true，则选择Ta作为结果，否则就选择Tb作为结果。

虽然C++为我们提供了模板元编程的能力，虽然我现在知道了它的基本实现机制，但是我依然想不到究竟什么时候需要用到模板元编程，听说要开发高可用性的第三方库少了它不行，也听说Boost库中到处可以见到它的身影，但仅仅只是听说而已，我自己是想不到，也做不到。

当然了，学习C++也并不是非要把这些语言的细节都啃透，除非是确实非用它不可。对于我来说，那些高质量的库，我只要会用就可以了，而且只有当确实需要的时候再去用这些库。因此，我还是保持简单的事情简单化，继续写我的简单代码吧。