C++學習 之 模板

C++是一種兩層次語言。

C++的模板設計之初是爲了實現泛型編程，但後來發現模板的能力遠不止泛型編程，C++模板是圖靈完備的，理論上來說C++模板可以執行任何計算任務，但因爲模板是編譯期間計算的，其能力受編譯器實現的限制，因而衍生出模板元編程。

動態代碼

C++執行期間的代碼稱爲動態代碼，動態代碼就不多介紹。

靜態代碼

C++執行編譯計算的代碼稱爲靜態代碼，靜態代碼由模板元編程和預處理的宏組成，預處理的宏也能進行部分編程，因而稱爲宏元編程。
模版元編程舉例：

template<typename T, int i=1>
class someComputing {
public:
    typedef volatile T* retType; // 類型計算
    enum { retValume = i + someComputing<T, i-1>::retValume }; // 數值計算，遞歸
    static void f() { std::cout << "someComputing: i=" << i << '\n'; }
};
template<typename T> // 模板特例，遞歸終止條件
class someComputing<T, 0> {
public:
    enum { retValume = 0 };
};

模版元編程的控制結構：
條件 if 語句：

// 通例爲空，若不匹配特例將報錯，很好的調試手段（這裏是 bool 就無所謂了）
template<bool c, typename Then, typename Else> class IF_ { };
template<typename Then, typename Else>
class IF_<true, Then, Else> { public: typedef Then reType; };
template<typename Then, typename Else>
class IF_<false,Then, Else> { public: typedef Else reType; };

IF_<> 的使用示例

const int len = 4;
typedef
    IF_<sizeof(short)==len, short,
    IF_<sizeof(int)==len, int,
    IF_<sizeof(long)==len, long,
    IF_<sizeof(long long)==len, long long,
    void>::reType>::reType>::reType>::reType
int_my; // 定義一個指定字節數的類型
std::cout << sizeof(int_my) << '\n';

while 語句：

// 隱含要求： Condition 返回值 ret，Statement 有類型 Next
template<template<typename> class Condition, typename Statement>
class WHILE_ {
    template<typename Statement> class STOP { public: typedef Statement reType; };
public:
    typedef typename
        IF_<Condition<Statement>::ret,
        WHILE_<Condition, typename Statement::Next>,
        STOP<Statement>>::reType::reType
    reType;
};

WHILE_<> 的使用示例

// 計算 1^e+2^e+...+n^e
template<int n, int e>
class sum_pow {
    template<int i, int e> class pow_e{ public: enum{ ret=i*pow_e<i,e-1>::ret }; };
    template<int i> class pow_e<i,0>{ public: enum{ ret=1 }; };
    // 計算 i^e，嵌套類使得能夠定義嵌套模板元函數，private 訪問控制隱藏實現細節
    template<int i> class pow{ public: enum{ ret=pow_e<i,e>::ret }; };
    template<typename stat>
    class cond { public: enum{ ret=(stat::ri<=n) }; };
    template<int i, int sum>
    class stat { public: typedef stat<i+1, sum+pow<i>::ret> Next;
                         enum{ ri=i, ret=sum }; };
public:
    enum{ ret = WHILE_<cond, stat<1,0>>::reType::ret };
};

int main() {
    std::cout << sum_pow<10, 2>::ret << '\n';
    std::cin.get(); return 0;
}

借鑑總結

1. C++ 模板包括函數模板和類模板，模板參數形式有：類型、模板型、非類型（整型、指針）；
2. 模板的特例化分完全特例化和部分特例化，實例將匹配參數集合最小的特例；
3. 用實例參數替換模板形式參數稱爲實例化，實例化的結果是產生具體類型（類模板）或函數（函數模板），同一模板實參完全等價將產生等價的實例類型或函數；
4. 模板一般在頭文件中定義，可能被包含多次，編譯和鏈接時會消除等價模板實例；
5. template、typename、this 關鍵字用來消除歧義，避免編譯錯誤或產生不符預期的結果；
6. C++11 對模板引入了新特性：“>>”、函數模板也可以有默認參數、變長模板參數、外部模板實例（extern），並棄用 export template；
7. C++ 模板是圖靈完備的，模板編程是函數編程風格，特點是：沒有可變的存儲、遞歸，以“<>”爲輸入，typedef 或靜態常量爲輸出；
8. 編譯期數值計算雖然實際意義不大，但可以很好證明 C++ 模板的能力，可以用模板實現類似普通程序中的 if 和 while 語句；
9. 一個實際應用是循環展開，雖然編譯器可以自動循環展開，但我們可以讓這一切更可控；
10. C++ 模板編程的兩個問題是：難調試，會產生冗長且難以閱讀的編譯錯誤信息、代碼膨脹（源代碼膨脹、二進制對象文件膨脹），改進的方法是：增加一些檢查代碼，讓編譯器及時報錯，使用特性、策略等讓模板更通用，可能的話合併一些模板實例（如將代碼提出去做成單獨模板）；
11. 表達式模板和向量計算是另一個可加速程序的例子，它們將計算表達式編碼到類型，這是通過模板嵌套參數實現的；
12. 特性，策略，標籤是模板編程常用技巧，它們可以是模板變得更加通用；
13. 模板甚至可以獲得類型的內部信息（是否有某個 typedef），這是反射中的內省，C++ 在語言層面對反射支持很少（typeid），這不利於模板元編程；
14. 可以用遞歸實現僞變長參數模板，C++11 變長參數模板背後的原理也是模板遞歸；
15. 元容器存儲元信息（如類型）、類型過濾過濾某些類型，它們是元編程的高級特性。