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模版元編程（Template Meta Programming ）

I.背景

C++在很多人的心目中，一直是一種OO語言，而事實上，現(xiàn)在對C++的非OO部分的各種使用被逐漸地挖掘出來，其中最大的部分莫過于是 template。STL、loki、boost，

，很多先行者為我們提供了方案，有的已經(jīng)被列入C++標準的一部分。template的一個重要使用方法就是template meta programming，它利用編譯器對于template的解釋是靜態(tài)的這一特性，讓編譯器在編譯時做計算，可以有效的提高程序的運行速度。有關(guān)于 template meta programming的記載，最早見于Erwin Unruh，他在1994年寫了一個用template計算質(zhì)數(shù)的程序。我希望通過這篇文章介紹一些TMP的基本技巧和應(yīng)用，并且最終完成一個質(zhì)數(shù)計算程序。

（閱讀本文的過程中，建議你試圖編譯每一個給出的程序。由于所有的類只需要public成員，所以都用struct聲明，但是仍然稱之為類。）

II.技術(shù)

通常我們編寫一個（小）程序，需要的語言支持其實不必很多，只要有順序、選擇和循環(huán)三種控制結(jié)構(gòu)理論上就可以寫出大多數(shù)程序了。我們先用TMP建立一個簡單的語言環(huán)境。

1.打印

程序有了結(jié)果，需要有一個方式反饋給運行者，這里我們利用C++的出錯信息，建立一個打印函數(shù)。要知道我們希望一切都在編譯的時候結(jié)束，那么我們就必須讓C++編譯器在編譯信息里面告訴我們，所以我們利用編譯器的出錯信息。當然這只是一個trick，如果你的TMP只是程序的一部分，你可以使用正常的輸入輸出。

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

這個類，每當別人引用到它的result的時候，編譯器就會打印出錯信息，因為一個unsigned int是不能隱式的轉(zhuǎn)成一個unsigned char*的。譬如下面這段程序

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

unsigned int test1 = print<77>::result;

unsigned int test2 = print<123>::result;

在我的Dev C++里，會輸出

main.cpp: In instantiation of `print<77>':

main.cpp:7: instantiated from here

main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'

main.cpp: In instantiation of `print<123>':

main.cpp:8: instantiated from here

main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'

這個輸出雖然不是很好看，但也算是差強人意。

2.選擇

Andrei Alexanderescu在他的大作Modern C++ Design里面使用過一個類，可以根據(jù)bool的值選擇不同的類型。今天我們要寫的一個是根據(jù)bool的值選擇不同的整數(shù)。

template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if

{

static const unsigned int result = value1;

};

template<unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if<false, value1, value2>

{

static const unsigned int result = value2;

};

這里用到了模板的特化，如果你對這個不熟悉，那么大致可以這樣理解：第一個template_if的定義告訴編譯器，“一般的” template_if，會選擇第一個值作為結(jié)果。第二個template_if告訴編譯器，如果第一個參數(shù)是false的話，我們就使用第二個值（第三個參數(shù)）作為結(jié)果。下面這段代碼演示了template_if的用法。

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if

{

static const unsigned int result = value1;

};

template<unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if<false, value1, value2>

{

static const unsigned int result = value2;

};

template<unsigned int value>

struct print_if_77

{

static const unsigned int result = template_if<value == 77 , print<value>::result , 0>::result;

};

unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;

unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;

如果你去編譯這段代碼的話，你會發(fā)覺77和123都被打印出來了，雖然錯誤信息不一樣，但是這不是我們想要的結(jié)果。為什么呢？很遺憾，對C++編譯器來說，template_if<true, 1, 100>和template<true, 1, 200>是兩個不同的類，雖然后一個參數(shù)的值我們并不關(guān)心，但是編譯器必須在template初始化的時候，給出所有的參數(shù)，這就導(dǎo)致它會去計算 print<value>::result，當然，計算的結(jié)果就是報錯。也就是說，因為編譯器要計算這個值才導(dǎo)致了我們的print不可用，要解決這個問題，有兩個方法：或者讓編譯器不計算這個值，或者讓編譯器在某些情況下可以計算出正確的值。

方法一可以讓編譯器不計算這個值，通過修改template_if，我們傳入兩個不同的類，而不是unsigned int。

首先修改print，加一個新的類dummy_print：

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct dummy_print

{

static const unsigned int result = value;

};

接著，加入一套對類型進行選擇的模板：

template<bool condition, typename T1, typename T2>

struct template_if_type

{

static const unsigned int result = T1::result;

};

template<typename T1, typename T2>

struct template_if_type<false, T1, T2>

{

static const unsigned int result = T2::result;

};

這樣原先的程序就變成：

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct dummy_print

{

static const unsigned int result = value;

};

template<bool condition, typename T1, typename T2>

struct template_if_type

{

static const unsigned int result = T1::result;

};

template<typename T1, typename T2>

struct template_if_type<false, T1, T2>

{

static const unsigned int result = T2::result;

};

template<unsigned int value>

struct print_if_77

{

static const unsigned int result = template_if_type<value == 77 ,

dummy_print<value> , print<value>>::result;

};

void main()

{

unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;

//unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;

}

現(xiàn)在的“運行結(jié)果”非常正確。

方法二可以讓編譯器在某些情況下計算出正確的值，我們加一套新的模板：

template<bool condition, unsigned int value>

struct print_if

{

static const unsigned int result = value;

};

template<unsigned int value>

struct print_if<false, value>

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

原先的程序變?yōu)椋?br>

template<bool condition, unsigned int value>

struct print_if

{

static const unsigned int result = value;

};

template<unsigned int value>

struct print_if<false, value>

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct print_if_77

{

static const unsigned int result = print_if<value == 77 , value>::result;

};

void main()

{

unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;

//unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;

}

輸出也是正確的。

這兩種方案，我個人傾向于后者，因為其實我們一定是要做一次判斷的，并且這次判斷一定會添加新的類，那么還是print_if的解決方案比較直觀。

3. 循環(huán)

首先必須明確的是，template不可能實現(xiàn)我們一般意義上的循環(huán)，但是它可以做一件和循環(huán)類似的事情：迭代。

如果有這樣一個循環(huán)：for( unsigned int i = 0 ; i < value ; ++i )

我們可以這樣寫：

template<unsigned int value>

struct loop

{

static const unsigned int result = loop<value - 1>::result + 1;

};

template<>

struct loop<0>

{

static const unsigned int result = 0;

};

這就是告訴編譯器，我們的迭代從0開始，到value結(jié)束，每個值是前者加1。

下面給出一個更廣泛的循環(huán)的實現(xiàn)：for( unsigned int i = begin ; i < end ; i = i + step )，假設(shè)0<=begin<end，并且step>0。（更復(fù)雜的情況，總可以通過template specialization分派完成）

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >

struct loop

{

static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result - step;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>

struct loop<begin, end, step, false>

{

static const unsigned int result = begin;

};

這里的result的計算過程不重要，關(guān)鍵是為了驅(qū)動編譯器進一步的實例化模板。

下面是一個實例程序，用來打印13到29之間的整數(shù)，步長為5。

template<bool condition, unsigned int value>

struct print_if

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct print_if<false, value>

{

static const unsigned int result = value;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >

struct loop

{

static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result - step;

static const unsigned int print_result = print_if<true, result>::result;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>

struct loop<begin, end, step, false>

{

static const unsigned int result = begin;

};

static unsigned int result = loop<13,29,5>::result;

III.應(yīng)用

上面我已經(jīng)介紹了怎樣用TMP實現(xiàn)打印，選擇和循環(huán)了，現(xiàn)在我們來把這些投入運用。下面我會用上面的所提供的機制，寫兩個程序：計算階乘和計算質(zhì)數(shù)。

1.計算階乘

我們先寫一個普通的C++程序來計算階乘：

#include <iostream>

int main()

{

unsigned int limit = 10;

unsigned int factorial = 1;

for( unsigned int i = 1 ; i <= limit ; ++ i )

factorial *= i;

std::cout<<factorial<<std::endl;

}

這個程序是一個一重循環(huán)，我們就用循環(huán)來做：

template<unsigned int value>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >

struct loop

{

static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result * begin;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>

struct loop<begin, end, step, false>

{

static const unsigned int result = begin;

};

static unsigned int result = print<loop<1, 10, 1>::result>::result;

因為這里不必要盤算是否輸出，所以就直接用print了。

2.計算質(zhì)數(shù)

同樣，我們先寫一個普通的程序來計算：

#include <iostream>

int main()

{

unsigned int limit = 30;

for( unsigned int i = 2 ; i <= limit ; ++i )

{

unsigned int j;

for( j = 2 ; j < i ; ++j )

if( i % j == 0 )

break;

if( i == j )

std::cout<<i<<std::endl;

}

這里用到了兩層循環(huán)，而且還是用了分支和打印。用我們提供的機制轉(zhuǎn)化成TMP形式如下：

template<bool condition, unsigned int value>

struct print_if

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct print_if<false, value>

{

static const unsigned int result = value;

};

template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if

{

static const unsigned int result = value1;

};

template<unsigned int value1, unsigned int value2>

struct template_if<false, value1, value2>

{

static const unsigned int result = value2;

};

// 這里增加一個i作為參數(shù)，因為在內(nèi)循環(huán)也需要知道外部的i的值

template<unsigned int i, unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >

struct inner_loop

{

static const unsigned int result = template_if<i % begin,

inner_loop< i, begin + step, end, step>::result,

begin>::result;

};

template<unsigned int i, unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>

struct inner_loop<i, begin, end, step, false>

{

static const unsigned int result = begin;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >

struct outer_loop

{

static const unsigned int result = outer_loop< begin + step, end, step>::result;

static const unsigned int is_prime = inner_loop<begin, 2, begin, 1>::result == begin;

static const unsigned int print_result = print_if<is_prime, begin>::result;

};

template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>

struct outer_loop<begin, end, step, false>

{

static const unsigned int result = 0;

};

static unsigned int result = outer_loop<2, 30, 1>::result;

III.細節(jié)

另外有兩點要說一下：

我們的template_if其實有一種更簡單的寫法，就是?:表達式。

而我們的print_if和print其實可以用確省的模板參數(shù)來統(tǒng)一，唯一的區(qū)別是，要把value放在condition前面。

template<unsigned int value, bool condition = true>

struct print

{

static const unsigned int result = (unsigned char*)value;

};

template<unsigned int value>

struct print<value,false>

{

static const unsigned int result = value;

};

這樣你可以用print<value>來打印一個數(shù)值，也可以用print<value, condition>來做判斷打印。

IIII.后記

很久以前看Inside OLE2的時候，記得作者說過一句話：作者因為寫書而明白。我其實幾年前就寫過類似的程序，但是從來沒有對這樣程序的寫法進行過總結(jié)以至于每一次都是在重新開始。而寫完這篇文章后，我覺得自己比過去明白很多。template meta programming還有很多不同的應(yīng)用，我以后有機會會繼續(xù)介紹給大家。

對于這篇文章有任何問題，請發(fā)信到 polyrandom@hotmail.com 和我聯(lián)系，也請訪問 http://www.allaboutprogram.com/ 以獲得最近的更新。

posted on 2007-03-05 10:33 夢在天涯閱讀(5204) 評論(2) 編輯收藏引用所屬分類: CPlusPlus

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