C++中模板元編程的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)C++中模板元編程的示例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過來看看吧。

所謂元編程就是編寫直接生成或操縱程序的程序，C++ 模板給 C++ 語言提供了元編程的能力，模板使 C++ 編程變得異常靈活，能實(shí)現(xiàn)很多高級動態(tài)語言才有的特性（語法上可能比較丑陋，一些歷史原因見下文）。模板元編程的根在模板。模板的使命很簡單：為自動代碼生成提供方便。提高程序員生產(chǎn)率的一個(gè)非常有效的方法就是“代碼復(fù)用”，而面向?qū)ο蠛苤匾囊粋€(gè)貢獻(xiàn)就是通過內(nèi)部緊耦合和外部松耦合將“思想”轉(zhuǎn)化成一個(gè)一個(gè)容易復(fù)用的“概念”。但是面向?qū)ο筇峁┑墓ぞ呦淅锩嫠睦^承，組合與多態(tài)并不能完全滿足實(shí)際編程中對于代碼復(fù)用的全部要求，于是模板就應(yīng)運(yùn)而生了。

模板是更智能的宏。模板和宏都是編譯前代碼生成，像宏一樣，模板代碼會被編譯器在編譯的第一階段（在內(nèi)部轉(zhuǎn)，這點(diǎn)兒與預(yù)編譯器不同）就展開成合法的C++代碼，然后根據(jù)展開的代碼生成目標(biāo)代碼，鏈接到最終的應(yīng)用程序之中。模板與宏相比，它站在更高的抽象層上面，宏操作的是字符串中的token，然而模板卻能夠操作C++中的類型。所以模板更加安全（因?yàn)橛蓄愋蜋z查），更加智能（可以根據(jù)上下文自動特化）……說完模板，來說說模板元編程。模板元編程其實(shí)就是復(fù)雜點(diǎn)兒的模板，簡單的模板在特化時(shí)基本只包含類型的查找與替換，這種模板可以看作是“類型安全的宏”。而模板元編程就是將一些通常編程時(shí)才有的概念比如：遞歸，分支等加入到模板特化過程中的模板，但其實(shí)說白了還是模板，自動代碼生成而已。普通用戶對 C++ 模板的使用可能不是很頻繁，大致限于泛型編程，但一些系統(tǒng)級的代碼，尤其是對通用性、性能要求極高的基礎(chǔ)庫（如 STL、Boost）幾乎不可避免的都大量地使用 C++ 模板，一個(gè)稍有規(guī)模的大量使用模板的程序，不可避免的要涉及元編程（如類型計(jì)算）。本文就是要剖析 C++ 模板元編程的機(jī)制。

C++ 模板是圖靈完備的，這使得 C++ 成為兩層次語言（two-level languages，中文暫且這么翻譯，文獻(xiàn)[9]），其中，執(zhí)行編譯計(jì)算的代碼稱為靜態(tài)代碼（static code），執(zhí)行運(yùn)行期計(jì)算的代碼稱為動態(tài)代碼（dynamic code），C++ 的靜態(tài)代碼由模板實(shí)現(xiàn)（預(yù)處理的宏也算是能進(jìn)行部分靜態(tài)計(jì)算吧，也就是能進(jìn)行部分元編程，稱為宏元編程，見 Boost 元編程庫即 BCCL,具體來說 C++ 模板可以做以下事情：編譯期數(shù)值計(jì)算、類型計(jì)算、代碼計(jì)算（如循環(huán)展開），其中數(shù)值計(jì)算實(shí)際不太有意義，而類型計(jì)算和代碼計(jì)算可以使得代碼更加通用，更加易用，性能更好（但是也會讓代碼也更難閱讀，更難調(diào)試，有時(shí)也會有代碼膨脹問題）。總的來說模板元編程的優(yōu)勢在于：

1.以編譯耗時(shí)為代價(jià)換來卓越的運(yùn)行期性能（一般用于為性能要求嚴(yán)格的數(shù)值計(jì)算換取更高的性能）。通常來說，一個(gè)有意義的程序的運(yùn)行次數(shù)（或服役時(shí)間）總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過編譯次數(shù)（或編譯時(shí)間）。

2.提供編譯期類型計(jì)算，通常這才是模板元編程大放異彩的地方。

模板元編程技術(shù)并非都是優(yōu)點(diǎn)：

1.代碼可讀性差，以類模板的方式描述算法也許有點(diǎn)抽象。

2.調(diào)試?yán)щy，元程序執(zhí)行于編譯期，沒有用于單步跟蹤元程序執(zhí)行的調(diào)試器（用于設(shè)置斷點(diǎn)、察看數(shù)據(jù)等）。程序員可做的只能是等待編譯過程失敗，然后人工破譯編譯器傾瀉到屏幕上的錯(cuò)誤信息。

3.編譯時(shí)間長，通常帶有模板元程序的程序生成的代碼尺寸要比普通程序的大，

4.可移植性較差，對于模板元編程使用的高級模板特性，不同的編譯器的支持度不同。

編譯期計(jì)算在編譯過程中的位置請見下圖，可以看到關(guān)鍵是模板的機(jī)制在編譯具體代碼（模板實(shí)例）前執(zhí)行：

從編程范型（programming paradigm）上來說，C++ 模板是函數(shù)式編程（functional programming），它的主要特點(diǎn)是：函數(shù)調(diào)用不產(chǎn)生任何副作用（沒有可變的存儲），用遞歸形式實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的功能。C++ 模板的特例化提供了條件判斷能力，而模板遞歸嵌套提供了循環(huán)的能力，這兩點(diǎn)使得其具有和普通語言一樣通用的能力（圖靈完備性）。從編程形式來看，模板的“<>”中的模板參數(shù)相當(dāng)于函數(shù)調(diào)用的輸入?yún)?shù)，模板中的 typedef 或 static const 或 enum 定義函數(shù)返回值（類型或數(shù)值，數(shù)值僅支持整型，如果需要可以通過編碼計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)），代碼計(jì)算是通過類型計(jì)算進(jìn)而選擇類型的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的（C++ 屬于靜態(tài)類型語言，編譯器對類型的操控能力很強(qiáng)）。

示例: 

#include <iostream> 
template<typename T, int i = 1> 
class CComputeSomething { 
public: 
  typedef volatile T *retType; // 類型計(jì)算 
  enum { 
    retValume = i + CComputeSomething<T, i - 1>::retValume 
  }; // 數(shù)值計(jì)算，遞歸 
  static void f() { 
    std::cout << "CComputeSomething:i = " << i << " retValume = " << retValume << '\n'; 
  } 
}; 
 
//遞歸結(jié)束特例 
template<typename T> 
class CComputeSomething<T, 0> { 
public: 
  enum { 
    retValume = 0 
  }; 
}; 
 
// 根據(jù)類型調(diào)用函數(shù)，代碼計(jì)算 
template<typename T> 
class CComputingFunc { 
public: 
  static void f() { T::f(); } 
}; 
 
int main() { 
  CComputeSomething<int>::retType a = 0; 
  //這里的遞歸深度注意，不同編譯器允許的最大深度不同,編譯時(shí)添加 -ftemplate-depth=500來修改編譯器允許的遞歸最大深度 
  CComputingFunc<CComputeSomething<int, 500>>::f(); 
  return 0; 
}

C++ 模板元編程概覽框圖如下:

編譯期數(shù)值計(jì)算

第一個(gè) C++ 模板元程序是 Erwin Unruh 在 1994 年寫的，這個(gè)程序計(jì)算小于給定數(shù) N 的全部素?cái)?shù)（又叫質(zhì)數(shù)），程序并不運(yùn)行（都不能通過編譯），而是讓編譯器在錯(cuò)誤信息中顯示結(jié)果（直觀展現(xiàn)了是編譯期計(jì)算結(jié)果，C++ 模板元編程不是設(shè)計(jì)的功能，更像是在戲弄編譯器，當(dāng)然 C++11 有所改變，下面以求和為例講解 C++ 模板編譯期數(shù)值計(jì)算的原理：

#include <iostream>  
template<int N> 
class Sumt { 
public: 
  static const int ret = Sumt<N - 1>::ret + N; 
}; 
 
template<> 
class Sumt<0> { 
public: 
  static const int ret = 0; 
}; 
 
int main() { 
  std::cout << Sumt<5>::ret << '\n'; 
  return 0; 
}

當(dāng)編譯器遇到 sumt<5> 時(shí)，試圖實(shí)例化之，sumt<5> 引用了 sumt<5-1> 即 sumt<4>，試圖實(shí)例化 sumt<4>，以此類推，直到 sumt<0>，sumt<0> 匹配模板特例，sumt<0>::ret 為 0，sumt<1>::ret 為 sumt<0>::ret+1 為 1，以此類推，sumt<5>::ret 為 15。值得一提的是，雖然對用戶來說程序只是輸出了一個(gè)編譯期常量 sumt<5>::ret，但在背后，編譯器其實(shí)至少處理了 sumt<0> 到 sumt<5> 共 6 個(gè)類型。

從這個(gè)例子我們也可以窺探 C++ 模板元編程的函數(shù)式編程范型，對比結(jié)構(gòu)化求和程序：for(i=0,sum=0; i<=N; ++i) sum+=i; 用逐步改變存儲（即變量 sum）的方式來對計(jì)算過程進(jìn)行編程，模板元程序沒有可變的存儲（都是編譯期常量，是不可變的變量），要表達(dá)求和過程就要用很多個(gè)常量：sumt<0>::ret，sumt<1>::ret，…，sumt<5>::ret 。函數(shù)式編程看上去似乎效率低下（因?yàn)樗蛿?shù)學(xué)接近，而不是和硬件工作方式接近），但有自己的優(yōu)勢：描述問題更加簡潔清晰（前提是熟悉這種方式），沒有可變的變量就沒有數(shù)據(jù)依賴，方便進(jìn)行并行化。

模板實(shí)現(xiàn)的條件 if 和 while  ：

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; 
}; 
 
// 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; 
};

模板循環(huán)展開  

模板元編程實(shí)現(xiàn)的循環(huán)展開能夠達(dá)到和手動循環(huán)展開相近的性能（90% 以上），并且性能是循環(huán)版本的 2 倍多（如果扣除 memcpy 函數(shù)占據(jù)的部分加速比將更高，根據(jù) Amdahl 定律）。這里可能有人會想，既然循環(huán)次數(shù)固定，為什么不直接手動循環(huán)展開呢，難道就為了使用模板嗎？當(dāng)然不是，有時(shí)候循環(huán)次數(shù)確實(shí)是編譯期固定值，但對用戶并不是固定的，比如要實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)上向量計(jì)算的類，因?yàn)榭赡苁?2、3、4 維，所以寫成模板，把維度作為 int 型模板參數(shù)，這時(shí)因?yàn)椴恢谰唧w是幾維的也就不得不用循環(huán)，不過因?yàn)榫S度信息在模板實(shí)例化時(shí)是編譯期常量且較小，所以編譯器很可能在代碼優(yōu)化時(shí)進(jìn)行循環(huán)展開。

我們說過模板元編程實(shí)際上就是一些復(fù)雜的模板，雖然可以把一些復(fù)雜的運(yùn)算提前到編譯器但是代碼閱讀性極差，如果你不是寫一些通用的大型的c++庫為了提高關(guān)鍵代碼的性能，千萬要適可而止，要不然止小心被打。

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