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1. TMP是什么？

模板元編程（template metaprogramming TMP）是實(shí)現(xiàn)基于模板的C++程序的過(guò)程，它能夠在編譯期執(zhí)行。你可以想一想：一個(gè)模板元程序是用C++實(shí)現(xiàn)的并且可以在C++編譯器內(nèi)部運(yùn)行的一個(gè)程序，它的輸出——從模板中實(shí)例化出來(lái)的C++源碼片段——會(huì)像往常一樣被編譯。

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2. 使用TMP的優(yōu)勢(shì)

如果這沒(méi)有沖擊到你，是因?yàn)槟銢](méi)有足夠盡力去想。

 

C++不是為了模板元編程而設(shè)計(jì)的，但是自從TMP早在1990年被發(fā)現(xiàn)之后，它就被證明是非常有用的，為了使TMP的使用更加容易，在C++語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中加入了一些擴(kuò)展。是的，TMP是被發(fā)現(xiàn)的，而不是被發(fā)明。當(dāng)模板被添加到C++中的時(shí)候TMP這個(gè)特性就被引入了。對(duì)于某些人來(lái)說(shuō)所有需要做的就是關(guān)注如何以一種聰明的和意想不到的方式來(lái)使用它。

TMP有兩種強(qiáng)大的力量。第一，它使得一些事情變得容易，也即是說(shuō)如果沒(méi)有TMP，這些事情做起來(lái)很難或者不可能實(shí)現(xiàn)。第二，因?yàn)槟０逶幊淘?/strong>C++編譯期執(zhí)行，它們可以將一些工作從運(yùn)行時(shí)移動(dòng)到編譯期。一個(gè)結(jié)果就是一些原來(lái)通常在運(yùn)行時(shí)能夠被發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，現(xiàn)在在編譯期就能夠被發(fā)現(xiàn)了。另外一個(gè)結(jié)果就是使用TMP的C++程序在基本上每個(gè)方面都更加高效：更小的執(zhí)行體，更短的運(yùn)行時(shí)間，更少的內(nèi)存需求。（然而，將工作從運(yùn)行時(shí)移到編譯期的一個(gè)后果就是編譯時(shí)間增加了。使用TMP的程序比沒(méi)有使用TMP的程序可能消耗更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行編譯。）

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3. 如何使用TMP？

3.1 再次分析Item 47中的實(shí)例

考慮在Item 47中為STL的advance寫出來(lái)的偽代碼。我已經(jīng)為偽代碼部分做了粗體：

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 1 template<typename IterT, typename DistT> 2 void advance(IterT& iter, DistT d) 3 { 4 if (iter is a random access iterator) { 5  6 iter += d;                           // use iterator arithmetic 7  8 }                                        // for random access iters 9 10 else {                                
11 12 13 if (d >= 0) { while (d--) ++iter; } // use iterative calls to14 else { while (d++) --iter; } // ++ or -- for other15 } // iterator categories16 }

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 

我們可以使用typeid替換偽代碼，讓程序能夠執(zhí)行。這就產(chǎn)生了一個(gè)“普通的”C++方法——也就是所有工作都在運(yùn)行時(shí)開展的方法：

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 1 template<typename IterT, typename DistT> 2 void advance(IterT& iter, DistT d) 3 { 4 if ( typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category) == 5 typeid(std::random_access_iterator_tag)) { 6  7 iter += d;                           // use iterator arithmetic 8  9 }                                        // for random access iters10 11 else {                               
12 13 14 if (d >= 0) { while (d--) ++iter; } // use iterative calls to15 else { while (d++) --iter; } // ++ or -- for other16 } // iterator categories17 }

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 

Item 47指出這種基于typeid的方法比使用trait效率更低，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用這種方法，（1）類型測(cè)試發(fā)生在運(yùn)行時(shí)而不是編譯期（2）執(zhí)行運(yùn)行時(shí)類型測(cè)試的代碼在運(yùn)行的時(shí)候必須可見。事實(shí)上，這個(gè)例子也展示出了為什么TMP比一個(gè)“普通的”C++程序更加高效，因?yàn)閠raits方式屬于TMP。記住，trait使得在類型上進(jìn)行編譯期if…else運(yùn)算成為可能。

我已經(jīng)在前面提到過(guò)一些東西說(shuō)明其在TMP中比在“普通”C++中更加容易，Item 47中也提供了一個(gè)advance的例子。Item 47中提到了advance的基于typeid的實(shí)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致編譯問(wèn)題，看下面的例子：

1 std::list<int>::iterator iter;2 ...3 advance(iter, 10);               // move iter 10 elements forward;4 // won’t compile with above impl.

 

考慮為上面調(diào)用所產(chǎn)生的advance的版本，將模板參數(shù)IterT和DistT替換為iter和10的類型之后，我們得到下面的代碼：

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 1 void advance(std::list<int>::iterator& iter, int d) 2 { 3 if (typeid(std::iterator_traits<std::list<int>::iterator>::iterator_category) == 4 typeid(std::random_access_iterator_tag)) { 5  6 iter += d; 7  8 // error! won’t compile 9 10 11 }12 else {13 if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }14 else { while (d++) --iter; }15 }16 }

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 

有問(wèn)題的是高亮部分，就是使用+=的語(yǔ)句。在這個(gè)例子中，我們?cè)趌ist<int>::iterator上使用+=，但是list<int>::iterator是一個(gè)雙向迭代器（見Item 47），所以它不支持+=。只有隨機(jī)訪問(wèn)迭代器支持+=?，F(xiàn)在，我們知道了+=這一行將永遠(yuǎn)不會(huì)被執(zhí)行到，因?yàn)闉閘ist<int>::iteraotr執(zhí)行的typeid測(cè)試永遠(yuǎn)都不會(huì)為真，但是編譯器有責(zé)任確保所有的源碼都是有效的，即使不被執(zhí)行到，當(dāng)iter不是隨機(jī)訪問(wèn)迭代器“iter+=d”就是無(wú)效代碼。將它同基于tratis的TMP解決方案進(jìn)行比較，后者把為不同類型實(shí)現(xiàn)的代碼分別放到了不同的函數(shù)中，每個(gè)函數(shù)中進(jìn)行的操作只針對(duì)特定的類型。

3.2 TMP是圖靈完全的

TMP已經(jīng)被證明是圖靈完全的（Turing-Complete），這也就意味著它足夠強(qiáng)大到可以計(jì)算任何東西。使用TMP，你可以聲明變量，執(zhí)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)和調(diào)用函數(shù)等等。但是這些概念同“普通”C++相對(duì)應(yīng)的部分看起來(lái)非常不同。例如，Item 47中if…else條件在TMP中是如何通過(guò)使用模板和模板特化來(lái)表現(xiàn)的。但這是程序級(jí)別（assembly-level）的TMP。TMP庫(kù)（例如，Boost MPL，見Item 55）提供了更高級(jí)別的語(yǔ)法，這些語(yǔ)法不會(huì)讓你誤認(rèn)為是“普通的”C++。

3.3 TMP中的循環(huán)通過(guò)遞歸來(lái)實(shí)現(xiàn)

再瞥一眼事情在TMP中是如何工作的，讓我們看一下循環(huán)。TMP中沒(méi)有真正的循環(huán)的概念，所以循環(huán)的效果是通過(guò)遞歸來(lái)完成的。（如果一提到遞歸你就不舒服，在進(jìn)入TMP 冒險(xiǎn)之前你就需要處理好它。TMP主要是一個(gè)函數(shù)式語(yǔ)言，遞歸對(duì)于函數(shù)式語(yǔ)言就如同電視對(duì)美國(guó)流行文化一樣重要：它們是不可分割的。）即使是遞歸也不是普通的遞歸，因?yàn)門MP循環(huán)沒(méi)有涉及到遞歸函數(shù)調(diào)用，所涉及到的是遞歸模板實(shí)例化（template instantiations）。

TMP的“hello world”程序是在編譯期計(jì)算階乘。它算不上是令人激動(dòng)的程序，“hello world”也不是，但是這兩個(gè)例子對(duì)于介紹語(yǔ)言都是有幫助的。TMP階乘計(jì)算通過(guò)對(duì)模板實(shí)例進(jìn)行遞歸來(lái)對(duì)循環(huán)進(jìn)行示范。也同樣示范了變量是如何在TMP中被創(chuàng)建和使用的，看下面的代碼：

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 1 template<unsigned n>          // general case: the value of 2  3 struct Factorial {                   // Factorial<n> is n times the value 4  5  6 // of Factorial<n-1> 7 enum { value = n * Factorial<n-1>::value }; 8 }; 9 template<> // special case: the value of10 struct Factorial<0> { // Factorial<0> is 111 enum { value = 1 };12 };

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

 

考慮上面的模板元編程（真的僅僅是單一的元函數(shù)Factorial），你通過(guò)引用Factorial<n>::value來(lái)得到factorial(n)的值。

代碼的循環(huán)部分發(fā)生在模板實(shí)例Factorial<n>引用模板實(shí)例Factorial<n-1>的時(shí)候。像所有遞歸一樣，有一種特殊情況來(lái)讓遞歸終止。在這里是模板特化Factorial<0>。

每個(gè)Factorial模板的實(shí)例都是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，每個(gè)結(jié)構(gòu)體使用enum hack（Item 2）來(lái)聲明一個(gè)叫做value的TMP變量。Value持有遞歸計(jì)算的當(dāng)前值。如果TMP有一個(gè)真正的循環(huán)結(jié)構(gòu)，value將會(huì)每次循環(huán)的時(shí)候進(jìn)行更新。既然TMP使用遞歸模板實(shí)例來(lái)替換循環(huán)，每個(gè)實(shí)例會(huì)得到它自己的value的拷貝，每個(gè)拷貝都會(huì)有一個(gè)和“循環(huán)”中位置想對(duì)應(yīng)的合適的值。

你可以像下面這樣使用Facorial：

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

1 int main()2 {3 std::cout << Factorial<5>::value; // prints 1204 5 std::cout << Factorial<10>::value;       // prints 36288006 7 }

photoshop培訓(xùn),電腦培訓(xùn),電腦維修培訓(xùn),移動(dòng)軟件開發(fā)培訓(xùn),網(wǎng)站設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)站建設(shè)培訓(xùn)

                                             

 如果你認(rèn)為這比冰激凌更酷，你就已經(jīng)獲得模板元程序員需要的素材。如果模板和特化，遞歸實(shí)例和enum hacks,還有像Factorial<n-1>::value這樣的輸入使你毛骨悚然，你還是一個(gè)“普通的”C++程序員。

3.4 TMP還能夠做什么？

當(dāng)然，F(xiàn)actorial對(duì)TMP的功能進(jìn)行了示范，如同“hello world”程序?qū)θ魏蝹鹘y(tǒng)編程語(yǔ)言的功能進(jìn)行示范一樣。為了讓你明白為什么TMP是值得了解的，知道它能夠做什么很重要，這里有三個(gè)例子：

  • 確保因次單位（dimensional unit）的正確性。在科學(xué)和工程應(yīng)用中，把因次單位（例如，質(zhì)量，距離和時(shí)間）正確的拼到一起是很必要的。將表示質(zhì)量的變量賦值給表示速度的變量是錯(cuò)誤的，但是用距離變量除以時(shí)間變量然后將結(jié)果賦值被速度變量就沒(méi)有問(wèn)題。通過(guò)使用TMP，確保（在編譯期間）程序中的所有因次單元組合的正確性就是可能的，不管計(jì)算有多復(fù)雜。（這也是使用TMP來(lái)偵測(cè)早期錯(cuò)誤的一個(gè)例子。）TMP這種用法的一個(gè)有趣的方面是它能夠支持分?jǐn)?shù)因次的指數(shù)。這需要在編譯期間將分?jǐn)?shù)簡(jiǎn)化，然后編譯器才能夠確認(rèn)，例如，單元 time1/2同time4/8是相同的。

  • 優(yōu)化矩陣操作。Item 21中解釋了有一些函數(shù)（包括 operator*）必須返回新的對(duì)象，Item 44中引入了SquareMatrix類，考慮下面的代碼：

    1 typedef SquareMatrix<double, 10000> BigMatrix;
2 BigMatrix m1, m2, m3, m4, m5; // create matrices and
3 ... // give them values
4 BigMatrix result = m1 * m2 * m3 * m4 * m5; // compute their product

     用“普通的”方式來(lái)計(jì)算result會(huì)有四次創(chuàng)建臨時(shí)matrice對(duì)象的調(diào)用，每次調(diào)用都應(yīng)用在對(duì)operator*調(diào)用的返回值上面。這些獨(dú)立的乘法在矩陣元素上產(chǎn)生了四          次循環(huán)。使用TMP的高級(jí)模板技術(shù)——表達(dá)式模板（expression templates），來(lái)消除臨時(shí)對(duì)象以及合并循環(huán)是有可能的，并且不用修改上面的客戶端代碼的語(yǔ)法。最   后的程序使用了更少的內(nèi)存，而且運(yùn)行速度會(huì)有很大的提升。

  • 產(chǎn)生個(gè)性化的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)。像策略模式，觀察者模式，訪問(wèn)者模式等等這些設(shè)計(jì)模式能夠以很多方式被實(shí)現(xiàn)。使用基于模板的技術(shù)被叫做policy-based設(shè)計(jì)，我們可以創(chuàng)建表示獨(dú)立設(shè)計(jì)選擇（choice或者叫”policies”）的 模板，這些模板可以以任意的方式進(jìn)行組合來(lái)產(chǎn)生個(gè)性化的模式實(shí)現(xiàn)。例如，使用這種技術(shù)能夠創(chuàng)建一些實(shí)現(xiàn)智能指針行為策略（policies）的模板,使用它能夠產(chǎn)生（在編譯期）上百種不同的智能指針類型。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)超越了編程工藝領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)模式和智能指針，它成為了生殖編程（generative programming）的基礎(chǔ)。

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4. TMP現(xiàn)狀分析

TMP并不是為每個(gè)人準(zhǔn)備的。因?yàn)檎Z(yǔ)法不直觀，支持的相關(guān)工具也很弱。（像為模板元編程提供的調(diào)試器。）作為一個(gè)“突然性“的語(yǔ)言它只是最近才被發(fā)現(xiàn)的，TMP編程的一些約定正在實(shí)驗(yàn)階段。然而通過(guò)將工作從運(yùn)行時(shí)移到編譯期所帶來(lái)的效率提升帶給人很深刻的印象，對(duì)一些行為表達(dá)的能力（很難或者不可能在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)）也是很吸引人的。

對(duì)于TMP的支持正在上升期。很可能下個(gè)版本的C++就是顯示的支持它。TR1中已經(jīng)支持了（Item 54）。關(guān)于這個(gè)主題的書籍已經(jīng)開始出來(lái)了，網(wǎng)上的一些關(guān)于TMP信息也越來(lái)越多。TMP可能永遠(yuǎn)不會(huì)成為主流，但是對(duì)于一些程序員來(lái)說(shuō)——尤其是程序庫(kù)的實(shí)現(xiàn)者——幾乎必然會(huì)成為主要手段。

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5. 總結(jié)

  • 模板元編程可以將工作從運(yùn)行時(shí)移到編譯期，這樣可以更早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并且提高運(yùn)行時(shí)性能。

  • 基于策略選擇（policy choices）的組合TMP能夠被用來(lái)產(chǎn)生個(gè)性化的代碼，也能夠用來(lái)防止為特定類型生成不合適的代碼。


作者： HarlanC 

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