C++ Template （二）：初步元编程

2019-07-23 本文已影响0人 iwtbam

前言

在上一篇博客C++ Template (一）：模板基础中，简单介绍了模板的定义，实例化，特化以及参数包的使用，在一些简单的场景中，已经可以通过这些知识去大展手脚了。但是想真正发挥Template的威力，还有很长的路要走。在本篇博文中会介绍Template为C++添加的平行宇宙 模板元编程 Template metapromming (后文简称TMP)。首先要说明TMP是图灵完备的，这也就是为什么说TMP是C++的平行宇宙，根据TMP的特点，Template成功的在命令式编程语言（CPP）中添加了一个门函数式编程语言。Template的威力也在TMP中得到了极致的展现。限于博主能力，在本篇博文中只能初步涉猎TMP冰山一角。

一、元编程

元编程是英文metaprogramming，是指 "a program about a program" , 我一般理解成“可以操作，产生程序的程序”，Template一开始的引入并不是为元编程准备的，而是为C++提供一种泛型的机制，提高代码复用的能力，而只是恰好发现其具有元编程的能力，再随后C++迭代中，C++标准委员也有心在这方面添砖加瓦，使得TMP在C++新的特性引入后更加灵活和具有威力。同时TMP的一切过程都是发生在编译器的，对于运行期的代码，TMP是不可变的，通过这一特性，可以将运行期的运行代价转嫁到编译期的过程中，从而提高程序的执行效率，当然这样做也是有得有失的，需要权衡利弊。

二、基本概念

<h5>1. 元数据</h5>
元编程操作的数据称“元数据”，同时也是C++在编译期可以操作数据，相比于普通C++程序，TMP 不仅具有操作数据的能力，还具有操作数据类型的能力，换句话说，不论是数据本身还是其型别都是TMP中的一种数据，也就是“元数据”。
元数据可分为整数元数据，值型元数据（int， double等POD值类型），函数元数据，类元数据（class， struct等用户自定义的数据），在使用的时候我们可以通过如下的形式去声明元数据。
<h6>1.1 enum， static 定义非型别类型的元数据<h6>

template<int N, int M>
struct add
{
    static int value = N + M;
    // enum {value = N + M};
}

<h6>1.2 typedef，using 定义型别类型的元数据</h6>

template<typename T>
struct identity
{
    using type = T;
    // typedef T type;
}

<h5>2. 元函数<h5>
元函数是元编程中处理元数据的构件，虽然称呼为元函数，但其实主要表现的形式以类的形式（struct， class）出现的，在编译期中可以像运行期的函数一样被调用。

如代码段 1： 
先定义了元函数remove_const 和 remove_volatile，分别实现了移除const和volatile的功能，
随后在remove_cv组合调用了remove_const和remove_volatile去实现了同时去除const和volatile
的功能，在这一过程中，元函数像运行期的函数一样，可以在编译期被随意的组合调用，只不过元函
数的调用，是通过域运算符体现的。元函数中的每个元数据都可以被作为元函数的返回结果被其他元
函数调用。

namespace iwtbam {
    template<typename T>
    struct remove_const
    {
       using type = T;
    };
    
   template<typename T>
   struct remove_const<const T>
   {
       using type = T;
   };
   
   template<typename T>
   struct remove_volatile
   {
       using type = T;
   };
   
   template<typename T>
   struct remove_volatile<volatile>
   {
       using type = T;
   };
   
   template<typename T>
   struct remove_cv
   {
       using type = typename remove_const<
                               typename remove_volatile<T>::type>::type;
   };
}

<center><h6>代码段：1</h6></center>
在C++11之后，<strong>using constexpr</strong> 关键字的也带来其他形式的元函数

constexpr 指定符声明可以在编译时求得函数或变量的值。constexpr修饰函数要求函数无副作用

 constexpr int inc(int val)
 {
     return val + 10;
 }

 template<int N>
 constexpr int add = inc(N);

 template<typename T>
 using identity_t = T;

<h5>3. 元函数转发</h5>
元函数转发是指<strong>TMP</strong>通过public 继承的方式，将模板参数传递给父类完成元函数的“调用”，获得父类元函数中元数据的方法。

代码段：2
通过元函数转发，改写代码段1

 template<typename T>
 struct identity
 {
     using type = T;
 };

 template<typename T>
 struct remove_const:identity<T>{};
 
 template<typename T>
 struct remove_const<const T>:identity<T>{};

 template<typename T>
 struct remove_volatile:identity<T>{};

 template<typename T>
 struct remove_volatile<volatile T>:identity<T>{};

 template<typename T>
 struct remove_cv:
     remove_const<typename remove_volatile<T>::type>{};

<h4>三、TMP中的控制流程</h4>
刚接触一门语言的，了解其中的控制流程是很关键的，由于<strong>TMP</strong>的控制流程本质上都可以通过模板的特化和元函数转发来实现。

<h5>3.1 顺序</h5>
像代码段1和代码段2，把自己的逻辑顺序的堆砌起来即可。
<h5>3.2 分支</h5>

<h6>3.2.1 特化</h6>
通过模板的特化去实现不同的分支达到运行期switch, if...else...的效果

   利用特化的效果，我门在编译期的分别实现了类似运行期的 switch 和 if 效果的元函数  
   static_switch，static_if， 这里面有个小技巧，在TMP中经常会使用不同类的去做为
   tag，比如代码段3中的branch_1, branch_2, branch_3.

namespace iwtbam {

   
   struct branch_1;
   struct branch_2;
   struct branch_3;

   template<typename T>
   struct identity
   {
       using type = T;
   };
   
   template<int N>
   struct int_
   {
       static const int value = N;
   };

   template<typename T>
   struct static_switch:int_<0>{};

   template<>
   struct static_switch<branch_1>:int_<1>{};

   template<>
   struct static_switch<branch_2>:int_<2>{};

   template<>
   struct static_switch<branch_3>:int_<3>{};

   template<bool value, typename T1, typename T2>
   struct static_if:identity<T1>{};

   template<typename T1, typename T2>
   struct static_if<false, T1, T2>:identity<T2>{};

   template<bool value, typename T1, typename T2>
   using static_if_t = typename static_if<value, T1, T2>::type; 
}

<h6><center>代码段：3</center></h6>
C++ 中的type_traits中也为我们提供了分支流程的元函数比如std::conditional等，但像这样的元函数的本质上还是模板的特化的，其实<strong>TMP</strong>根本的技巧在博主看来说是模板的特化也不为过。

<h6>3.2.2 SFINAE</h6>
SFINAE 是一个很意思的东西，总感觉放到一个小标题委屈了。SFINAE即Substitution Failure Is Not An Error, 译为匹配失败并非错。在模板匹配的过程编译器会选择匹配成功的进行实例化，其中匹配失败的特化版本不进行报错。通过这个特性来实现分支选择。

代码段：4
在这段代码中使用type_traits中的enable_if_t元函数构造了针对整数类型和非整数类型的两个fun的
函数版本。这两版本的相会对立，一个匹配成功，一个便会失败，但编译器不会为匹配失败的版本报告错
误。

#include <iostream>
#include <type_traits>

using namespace std;

template<typename T>
enable_if_t<is_integral<T>::value, T> fun(T v)
{
    return v + 1;
}

template<typename T>
enable_if_t<!is_integral<T>::value, T> fun(T v)
{
    return v * 2;
}

int main()
{
    cout << fun(10) << endl;
    cout << fun(12.0) << endl;
    return 0;
}
<h6><center>代码段：4</center><h6>

这让我想起来我原先的一个demo中，构建了一个类的继承的体系，在这个体系中，每个类都有一个create函数，负责该类实例创建的工作，并且为了兼容不在这个体系的类，我定义一个Alloc的类，为所有类的实例创建的提供统一的接口，在Alloc类中去利用一个has_create元函数去检测该类是否具有create函数，为其选择不同的创建方式。

代码段：5中
用来检测是否具有create函数的元函数has_create，便是利用SFINAE的特性来完成的（SFINAE真的是）
一个功能强大的的特性

template<typename T>
class has_create
{
private:

    template<typename U>
    static auto check(int)-> decltype(U::create());

    template<typename U>
    static char check(...);

public:
    using value_type = bool;
    constexpr static bool value = std::is_same<T*, decltype(check<T>(0))>::value;
};

template<typename T, bool val = has_create<T>::value>
struct Alloc
{
    template<typename... Args>
    static T* create(Args... args)
    {
        return T::create(args...);
    }
};

template<typename T>
struct Alloc<T, false>
{
    template<typename... Args>
    static T* create(Args... args)
    {
        return new T{args...};
    }
};

<h6>3.2.3 if constexpr</h6>
<strong>if constexpr</strong>是C++17中新添加的特性，可以完成编译器分支的工作，并且它相比于模板的特化具有一个显著的优点，减少了模板实例的个数。

在代码段：6中
利用if constexpr 实现的分支更符合运行期的的样子。

#include <iostream>
#include <type_traits>
using namespace std;

template<typename T>
auto fun(T v)
{
    if constexpr(is_integral<T>::value)
        return v + 1;
    else
        return v * 2;
}

int main()
{
    cout << fun(2) << endl;
    cout << fun(2.0) << endl;
    return 0;
}

<h5>3.3 循环</h5>
TMP的循环通过一种“递归”的形式去实现，然后通过特化的版本为循环添加终止条件。

代码段：7中
实现一个编译期求和的元函数，其中的循环就是通过递归的形式去实现的。

#include <iostream>
using namespace std;

template<int N>
constexpr size_t sum = N + sum<N-1>;

template<>
constexpr size_t sum<1> = 1;

int main()
{
    cout << sum<7> << endl;
    cout << sum<9> << endl;
    cout << sum<5> << endl;
    return 0;
}

<h4>四，注意实例化的数量</h4>
<strong>C++ Template</strong>会为每个被调用的模板函数，模板类提供一个实例以方便复用的问题，但是对于<strong>TMP</strong>，有时候会造成一定的困扰，实例化的数量太多，导致编译时间过长的问题，甚至编译失败的问题。

为了说明这个问题，先观察下代码段：7中的符号表。
在代码段：7中 只是计算一个求和的元函数就产生了9个实例，只产生9个的原因还在部分实例可以
复用。

在这里插入图片描述

在代码段8：中
对于 warp<5>::value<5>，会产生warp<5>::imp的一系列实例，再调用warp<4>::value<5>，
确不能复用之前的代码， 虽然都是imp的函数,第二次的却是属于warp<4>嵌套的imp,所以又
会产生一系列的实例。对于这种情况堆积，就很容易导致编译时间过长，甚至会失败的可能。

#include <iostream>

using namespace std;

template<int N>
struct warp
{
    template<int M, typename TDummy = void>
    struct imp
    {
        constexpr static size_t value =  M + imp<M-1>::value;
    };

    template<typename TDummy>
    struct imp<1, TDummy>
    {
        constexpr static size_t value = 1;
    };

    template<int M>
    constexpr static int value = imp<M>::value;
};

int main()
{
   auto w = warp<5>::value<5>;
   auto w2 = warp<4>::value<5>;
   return 0;
}

所以再编写<strong>TMP</strong>过程中，应该注意这种模板的嵌套，和利用 <strong> 或（||），与（&&）短路求值的特点</strong>去减少实例化的个数。在介绍<strong>TMP</strong>算法的书籍中，一般会将实例化的个数作为<strong>TMP</strong>算法复杂度的衡量标准。

<h4>后记<h4>
很仓储的收尾，感觉很难表达出自己的想表达的东西，如果以后有时间再重新排版和把剩余想写的内容添加上来把。很想写出来一点关于<strong>TMP</strong>的自己的东西，但是很遗憾写的却像是搬运，博主写的主要是<strong>《C++11/14高级编程：Boost 程序库探秘》</strong>和 <strong>《C++模板元编程实战》</strong>书开始介绍的元编程的一部分。第四部分很想通过<strong>符号表</strong>更直观的展示，耦合度高的模板嵌套所带来实例个数的暴增，由于自身对于符号表的不了解，也变成了失败的尝试，感觉还是太欠缺内功，无法很好的表达出自己的想法。如果有想了解<strong>模板</strong>和其应用的，很推荐去看看一下<strong>《STL源码解析》，《C++11/14高级编程:Boost 程序库探秘》，《C++设计新思想》等丛书</strong>，如果发现对<strong>TMP</strong>很有兴趣可以看看<strong>《C++ template metaprogramming》</strong>和<strong>Boost</strong> 中<strong>Spirit</strong>等组件的源码。

C++ Template （二）：初步元编程

前言

一、元编程

二、基本概念

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