C++模板元编程技术研究

　　Loki程序库：活用模板元编程技术的典范

　　模板元编程的价值仅仅在于高性能数值计算吗？不仅如此。Loki程序库以对泛型模式的开创性工作闻名于C++社群。它很巧妙地利用了模板元编程技术实现了Typelist组件。Typelist是实现Abstract Factory、Visitor等泛型模式不可或缺的基础设施。

　　就像C++标准库组件std::list提供对一组数值的操作一样，Typelist可以用来操纵一组类型，其定义非常简单（摘自Loki程序库Typelist.h单元）：

template <class T, class U> struct Typelist { typedef T Head; typedef U Tail; };

　　显然，Typelist没有任何状态，也未定义任何操作，其作用只在于携带类型信息，它并未打算被实例化，因此，对于Typelist的任何处理都必然发生于编译期而非运行期。

　　Typelist可以被无限扩展，因为模板参数可以是任何类型（包括该模板的其他具现体）。例如：

　　Typelist<char, Typelist<int, Typelist<float, NullType> > >

　　就是一个包含有char、int、float三种类型的Typelist。

　　按照Loki的约定，每一个Typelist都必须以NullType结尾。NullType的作用类似于传统C字符串的“\0”，它被声明于Loki程序库的NullType.h文件中：

class NullType;

　　NullType只有声明，没有定义，因为Loki程序库永远都不需要创建一个NullType对象。

　　让我们看看IndexOf模板元程序，它可以在一个Typelist中查找给定类型的位置（摘自Loki程序库的Typelist.h单元）：

template <class TList, class T> struct IndexOf; template <class T> struct IndexOf<NullType, T> { enum { value = -1 }; }; template <class T, class Tail> struct IndexOf<Typelist<T, Tail>, T> { enum { value = 0 }; }; template <class Head, class Tail, class T> struct IndexOf<Typelist<Head, Tail>, T> { private: enum { temp = IndexOf<Tail, T>::value }; public: enum { value = (temp == -1 ? -1 : 1 + temp) }; };

　　IndexOf提供了一个原始模板和三个局部特化版。算法非常简单：如果TList（就是一个Typelist）是一个NullType，则value为-1。如果TList的头部就是T，则value为0。否则将IndexOf施行于TList的尾部和T，并将评估结果置于一个临时变量temp中。如果temp为-1，则value为-1，否则value为1 + temp。

　　为了加深你对Typelist采用的模板元编程技术的认识，我从Loki程序库剥离出如下代码，放入一个typelistlite.h文件中：

// typelistlite.h // 声明Nulltype class NullType; // Typelist的定义 template <class T, class U> struct Typelist { typedef T Head; typedef U Tail; }; // IndexOf的定义 // IndexOf原始模板 template <class TList, class T> struct IndexOf; // 针对NullType的局部特化版 template <class T> struct IndexOf<NullType, T> { enum { value = -1 }; }; // 针对“Tlist头部就是我们要查找的T”的局部特化版 template <class T, class Tail> struct IndexOf<Typelist<T, Tail>, T> { enum { value = 0 }; }; // 处理Tlist尾部的局部特化版 template <class Head, class Tail, class T> struct IndexOf<Typelist<Head, Tail>, T> { private: enum { temp = IndexOf<Tail, T>::value }; public: enum { value = (temp == -1 ? -1 : 1 + temp) }; };

　　测试程序如下：

// typelistlite_test.cpp #include <iostream> #include "typelistlite.h" // 自定义类型Royal class Royal {}; // 定义一个包含有char、int、Royal和float的Typelist typedef Typelist<char, Typelist<int, Typelist<Royal, Typelist<float, NullType> > > > CIRF; int main() { std::cout << "IndexOf<CIRF, int>::value = " << IndexOf<CIRF, int>::value << "\n"; std::cout << "IndexOf<CIRF, Royal>::value = " << IndexOf<CIRF, Royal>::value << "\n"; std::cout << "IndexOf<CIRF, double>::value = " << IndexOf<CIRF, double>::value << "\n"; }

　　程序输出如下：

IndexOf<CIRF, int>::value = 1 IndexOf<CIRF, Royal>::value = 2 IndexOf<CIRF, double>::value = -1

　　结束语

　　模板元编程技术并非都是优点，比方说，模板元程序编译耗时，带有模板元程序的程序生成的代码尺寸要比普通程序的大，而且通常这种程序调试起来也比常规程序困难得多。另外，对于一些程序员来说，以类模板的方式描述算法也许有点抽象。

　　编译耗时的代价换来的是卓越的运行期性能。通常来说，一个有意义的程序的运行次数（或服役时间）总是远远超过编译次数（或编译时间）。为程序的用户带来更好的体验，或者为性能要求严格的数值计算换取更高的性能，值得程序员付出这样的代价。

　　很难想象模板元编程技术会成为每一个普通程序员的日常工具，相反，就像Blitz++和Loki那样，模板元程序几乎总是应该被封装在一个程序库的内部。对于库的用户来说，它应该是透明的。模板元程序可以（也应该）用作常规模板代码的内核，为关键的算法实现更好的性能，或者为特别的目的实现特别的效果。

　　模板元编程技术首次正式亮相于Todd Veldhuizen的Using C++ Template Metaprograms论文之中。这篇文章首先发表于1995年5月的C++ Report期刊上，后来Stanley Lippman编辑C++ Gems一书时又收录了它。参考文献中给出了这篇文章的链接，它还描述了许多本文没有描述到的内容。