突破编程_C++_高级教程（模板编程的高级特性）

1 模板元编程

模板元编程（ Template Metaprogramming ，简称 TMP ）是一种元编程技术，它通过编译器使用模板生成暂时性的源代码，这些源代码随后与剩余的源代码混合并编译。模板的输出可以包括编译时期的常量、数据结构以及完整的函数。因此，可以将模板视为在编译期执行的代码。
在 C++ 中，模板是一种编译时的代码生成机制。模板元编程利用模板的特性，通过递归实例化和元编程技术，将计算和转换过程推移到编译期间，这允许在编译时进行常量计算、类型推导、条件分支以及递归等操作，生成出更具灵活性和高效性的代码。
模板元编程被广泛用于库和框架的开发中，因为它可以在编译时进行优化和错误检查，从而提高代码的运行效率和可维护性。此外，模板元编程允许程序员专注于架构，并委托编译器生成任何客户代码所需的实现，这有助于实现真正的泛型代码，进一步促进代码的缩小和更好的维护。

1.1 模板元编程的原理和用途

板元编程的基本原理是利用编译器在编译时期对模板进行解析和执行，生成相应的代码。这些模板可以是函数模板、类模板或成员模板等，它们通过模板参数（可以是类型参数或非类型参数）来定义通用的编程逻辑。
模板元编程的核心在于模板特化和递归模板的使用。模板特化允许为特定类型的模板参数提供特定的实现，而递归模板则允许在编译时期进行循环操作。通过这些技术，可以在编译时期完成一些复杂的逻辑计算和类型推导，生成高效的代码。
在模板元编程中，编译器扮演了重要的角色。当编译器遇到模板时，它会将模板参数替换为实际的参数，并对模板进行实例化。这个实例化过程是在编译时期完成的，因此生成的代码是静态的，没有运行时开销。
模板元编程的主要用途和优势包括：
性能优化
模板元编程的一个主要优势是能够在编译期间进行计算和优化，而不是在运行时。这通常可以显著提高代码的运行效率，尤其是在对性能要求严格的场景中，如数值计算。
类型安全
通过模板元编程，可以在编译期间进行类型检查和推导，从而提高代码的类型安全性。这有助于减少运行时错误，并简化代码。
代码精简
模板元编程允许程序员编写更加通用的代码，从而减少重复和冗余。这不仅可以使代码更加简洁，还便于维护和扩展。
灵活性
模板元编程为程序员提供了更大的灵活性，允许在编译期间根据需要进行代码生成和转换。这使得程序能够更好地适应不同的需求和场景。
抽象和封装
模板元编程允许程序员将复杂的逻辑和计算过程隐藏在模板中，从而实现更好的抽象和封装。这有助于降低代码的复杂性，提高可读性和可维护性。
然而，需要注意的是，模板元编程也有一些挑战和限制。例如，它通常涉及复杂的语法和概念，使得学习和使用难度较大。此外，过度使用模板元编程可能会导致代码难以理解和维护。因此，在使用模板元编程时，需要权衡其优势和挑战，并根据实际需求进行合理使用。

1.2 模板元编程的基本使用

在实际应用中，模板元编程常用于性能关键的代码段、通用算法和数据结构实现、策略模式以及编译器本身等场景。下面是一些模板元编程的例子。
递归函数模板
递归函数模板使用函数模板以递归的方式在编译时展开计算。通过递归地实例化不同的模板参数，你可以实现编译时的循环和条件逻辑。
递归函数模板通常涉及一个或多个模板参数，这些参数在每次递归调用时减少或改变，以便在达到某个条件时终止递归。
如下为样例代码：

#include 

template <int N>
struct Factorial 
{
	static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

// 递归终止条件  
template <>
struct Factorial<0> 
{
	static const int value = 1;
};

int main()
{
	int fact6 = Factorial<6>::value; // 计算6的阶乘  
	std::cout << "6! = " << fact6 << std::endl;
	return 0;
}

上面代码的输出为：

6! = 720

在上面代码中，Factorial 是一个模板结构体，它有一个静态成员 value。对于非零的 N，Factorial::value 的值是 N 乘以 Factorial::value。递归在 Factorial<0> 时终止，此时 value 被特化为 1。这样，当编译器遇到 Factorial<6>::value 时，它会递归地展开计算，直到达到 Factorial<0>，最终得到 6! 的值。
递归函数模板也可以用于编译时遍历容器或执行其他需要重复操作的任务。例如，以下是一个简单的递归函数模板，用于在编译时遍历一个整数数组并计算其总和：

#include 

template <int... Ns>
struct Sum;

// 递归终止条件  
template <>
struct Sum<> 
{
	static const int value = 0;
};

// 递归情况  
template <int N, int... Ns>
struct Sum<N, Ns...> 
{
	static const int value = N + Sum<Ns...>::value;
};

int main() 
{
	int total = Sum<1, 2, 3, 4, 5, 6>::value; // 计算 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6  
	std::cout << "total: " << total << std::endl; // 输出 Total: 21  
	return 0;
}

上面代码的输出为：

total: 21

在上面代码中，Sum 是一个模板结构体，用于计算整数序列的总和。递归在 Sum<> 时终止，此时 value 被特化为 0。对于其他情况，Sum 会将 N 加到剩余序列 Ns… 的和上。
需要注意的是，递归函数模板必须在编译时能够确定递归的深度，并且这个深度必须是有限的。如果递归深度是无限的或者不可知的，编译器将无法生成有效的代码，并可能产生编译错误。
编译时条件
在 C++ 模板元编程中，编译时条件通常通过模板特化、模板偏特化和 std::enable_if （或 std::conditional 、 std::integral_constant 等）来实现。这些技术允许开发者在编译时期根据条件选择不同的代码路径，而不需要在运行时进行条件检查。
如下为样例代码：

#include 

// 启用 if 模板，用于根据条件 T::value 选择类型  
template <bool B, typename T = void>
struct EnableIf;

template <typename T>
struct EnableIf<true, T> 
{
	using type = T;
};

template <typename T>
typename EnableIf<std::is_integral<T>::value, T>::type
func(T t) 
{
	return t * 2;
}

int main() 
{
	int result = func(1); // 编译时检查 int 是整型，调用 func  
	// double result = func(1.2); // 编译时检查 double 不是整型，此调用将导致编译错误  
	return 0;
}

在上面代码中，EnableIf 模板用于根据条件 std::is_integral::value 来选择不同的类型。当 T 是整数类型时， std::is_integral::value 为 true ，因此 enable_if::type 将解析为 int 。这使得 func 函数的整数版本可以被实例化。如果尝试使用非整数类型调用 func ，由于 EnableIf 的条件不满足，编译器将不会找到匹配的函数模板，从而导致编译错误。
上面的逻辑还可以用 C++11 标准中引入的模板元编程工具 std::enable_if 来实现。std::enable_if 的基本用法是提供一个布尔条件和一个备用类型。如果条件为真（ true ），则 std::enable_if 的 ::type 成员将是一个有效的类型（通常是 void ），这使得依赖于这个 std::enable_if 的模板可以被实例化。如果条件为假（ false ），则 ::type 成员将是一个无效的类型，这会导致依赖于这个 std::enable_if 的模板实例化失败。如下为样例代码：

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, int>::type
func(T t) 
{
	return t * 2;
}

类型萃取
C++ 类型萃取（ Type Traits ）是 C++ 标准库提供的一组模板类和模板函数，用于在编译时期检查和萃取类型信息。这些类型萃取工具允许开发者在编译时确定类型的属性，例如类型是否为空、是否为整数类型、是否为指针类型等。
类型萃取的主要用途是在泛型编程中，对模板参数的类型属性进行检查，以便在编译时期选择不同的代码路径或提供类型安全的操作。
C++ 标准库中提供了一些基本的类型萃取工具，例如 std::is_integral、std::is_pointer、std::is_void 等。这些工具通常以模板结构体的形式提供，包含一个静态常量 value，用于表示类型是否满足某种属性。
上面"编译时条件"的样例代码中就有对类型萃取的使用：

template <typename T>
typename EnableIf<std::is_integral<T>::value, T>::type
func(T t) 
{
	return t * 2;
}

下面是一些常见的类型萃取工具及其用法示例：

#include   
  
// 检查类型是否为整数类型  
std::is_integral<int>::value        // true  
std::is_integral<double>::value     // false  
  
// 检查类型是否为指针类型  
std::is_pointer<int*>::value        // true  
std::is_pointer<int>::value         // false  
  
// 检查类型是否为 void 类型  
std::is_void<void>::value           // true  
std::is_void<int>::value            // false  
  
// 检查类型是否为同一类型  
std::is_same<int, int>::value       // true  
std::is_same<int, double>::value    // false  
  
// 检查类型是否为空类型  
std::is_empty<struct EmptyStruct>::value // true（如果 EmptyStruct 是一个空结构体）  
std::is_empty<int>::value               // false

此外，C++11 还引入了 std::conditional 、 std::enable_if 、std::integral_constant 等模板工具，它们可以与类型萃取工具结合使用，实现更复杂的条件编译和类型选择
从 C++14 开始，std::enable_if_t 被引入，它简化了 std::enable_if 的使用，使得代码更加简洁。如下为样例代码：

template <typename T, std::enable_if_t<std::is_integral<T>::value, int> = 0>
T func(T t)		// 只对整数类型入参有效的函数  
{
	return t * 2;
}

在上面代码中，std::enable_if_t 根据 std::is_integral::value 的结果来决定是否提供 func 函数的模板参数类型，从而实现了对整数类型的专门处理。
除了使用标准库提供的类型萃取工具外，还可以根据需要自定义类型萃取。下面是一个简单的例子，演示了如何自定义一个类型萃取来检查一个类型是否包含特定的成员函数。如下为样例代码：

#include   
#include   

// 自定义类型萃取，检查类型 T 是否有名为 "func" 的成员函数  
template <typename T, typename = void>
struct HasMemberFunction : std::false_type {};

template <typename T>
struct HasMemberFunction<T, decltype(std::declval<T>().func(), void())> : std::true_type {};

struct MyStruct1 
{
	void func() {}
};

struct MyStruct2 {};

int main()
{
	if (HasMemberFunction<MyStruct1>::value)
	{
		printf("MyStruct1 should have 'func' member function\n");
	}
	else
	{
		printf("MyStruct1 should not have 'func' member function\n");
	}

	if (HasMemberFunction<MyStruct2>::value)
	{
		printf("MyStruct2 should have 'func' member function\n");
	}
	else
	{
		printf("MyStruct2 should not have 'func' member function\n");
	}

	return 0;
}

上面代码的输出为：

MyStruct1 should have 'func' member function
MyStruct2 should not have 'func' member function

在上面代码中，定义了一个名为 HasMemberFunction 的类型萃取模板。这个模板通过 SFINAE 技巧（ Substitution Failure Is Not An Error ）来检查类型T是否有一个名为 func 的成员函数。如果 T 有这样的成员函数，那么特化版本 HasMemberFunction().foo(), void())>将会被选择，从而 std::true_type 被继承；否则，默认模板 HasMemberFunction 被选择，从而 std::false_type 被继承。

1.3 模板元编程的限制和注意事项

尽管模板元编程提供了巨大的灵活性，但它也有一些限制和需要注意的事项。以下是模板元编程的一些限制和常见注意事项：
编译时间
模板元编程通常在编译时执行，这可能导致编译时间显著增加，尤其是在处理复杂模板或大量模板实例化时。过长的编译时间可能会影响开发效率，因此在使用模板元编程时需要权衡其好处和编译时间的成本。
错误诊断困难
模板错误通常发生在编译时，并且错误消息可能非常晦涩难懂，因为它们涉及到模板实例化、类型推导和类型特化等多个方面。调试模板错误可能需要花费大量的时间和耐心，并且需要对模板元编程有深入的理解。
代码可读性
模板元编程的代码通常比较复杂，涉及到大量的模板特化、类型推导和元函数等。这可能会降低代码的可读性和可维护性，因此在使用模板元编程时需要特别注意代码的清晰度和组织。
编译器兼容性问题
不同的编译器可能对模板元编程的支持程度有所不同，这可能导致跨编译器的兼容性问题。因此，在使用模板元编程时，需要确保代码能够在目标编译器上正确编译和运行。
性能开销
虽然模板元编程可以在编译时生成高效的代码，但过度的模板元编程可能会导致运行时性能的开销。例如，复杂的模板实例化可能会增加代码大小，进而影响指令缓存的效率。因此，在使用模板元编程时，需要权衡其带来的好处和可能的性能开销。
学习和使用门槛
模板元编程是 C++ 中比较高级的技术，需要一定的学习和实践才能熟练掌握。对于初学者来说，模板元编程可能会带来一定的学习难度和使用门槛。
过度设计
由于模板元编程提供了极大的灵活性，有时可能会导致过度设计。过度设计的代码可能会变得复杂且难以维护，因此在使用模板元编程时需要避免过度设计，保持代码的简洁和清晰。
总之，模板元编程虽然强大，但在使用时需要注意其限制和注意事项，以确保代码的质量、可读性和性能。在决定是否使用模板元编程时，需要权衡其好处和潜在的成本。

2 模板的非类型参数

模板的非类型参数是 C++ 模板编程中的一个特性，它允许在模板定义中使用非类型的常量表达式作为参数。这些参数在模板实例化时必须是已知的常量值，并且它们可以是整数、字符、指针或枚举值。非类型参数在编译时确定，并且它们的主要用途是控制模板的某些行为或选择特定的模板特化。
下面是一些使用非类型模板参数的示例：
使用整数作为非类型参数

template <int N>  
struct ArraySize 
{  
    enum { size = N };  
};  
  
int main() 
{  
    ArraySize<5>::size; // 这里的类型是 ArraySize<5>，并且 size 是一个编译时常量，其值为 5  
}

使用指针作为非类型参数

template <const char* str>  
struct StringConst 
{  
    static const char* value = str;  
};  
  
int main() {  
    std::cout << StringConst<"hello">::value << std::endl;  
}

使用枚举作为非类型参数

enum Color { RED, GREEN, BLUE };  
  
template <Color C>  
struct ColorStruct 
{  
    static const Color color = C;  
};  
  
int main() 
{  
    if (RED == ColorStruct<RED>::color) 
	{  
        std::cout << "red" << std::endl;  
    }  
}

注意事项
（1）编译时常量：非类型模板参数必须是编译时常量表达式，这意味着它们必须在编译时就可以确定其值。
（2）类型限制：非类型模板参数的类型受到限制，通常只能是整数、指针或枚举类型。
（3）模板实例化：对于每个不同的非类型参数值，模板都会产生一个新的实例化。这意味着如果有两个不同的非类型参数值，即使其他类型参数相同，也会生成两个不同的模板实例。
（4）性能影响：虽然非类型模板参数提供了很大的灵活性，但它们也可能导致编译时间增加，尤其是在处理大量具有不同非类型参数值的模板实例化时。
（5）使用场景：非类型模板参数常用于控制编译时的常量行为，如数组大小、固定大小的缓冲区、编译时开关等。
（6）替代方案：在某些情况下，可以考虑使用函数重载或常量全局变量来替代非类型模板参数，以简化代码和提高性能。
总体而言，非类型模板参数为 C++ 模板编程提供了额外的灵活性，但使用时需要注意它们对编译时间、代码复杂性和可读性的影响。

3 模板的默认参数

模板的默认参数是 C++ 模板编程中的一个特性，允许为模板参数提供默认值。这样，当实例化模板时，如果没有明确指定某个参数的值，就会使用该参数的默认值。默认参数使得模板的使用更加灵活，因为用户只需提供部分参数值，而其他参数则会自动采用默认值。
在函数模板和类模板中都可以使用默认参数。

3.1 函数模板的默认参数

函数模板的默认参数是从 C++11 开始引入的，允许你为函数模板的某些参数提供默认值。这意味着在调用函数模板时，如果不提供这些参数的值，就会使用默认值。
函数模板的默认参数使得函数模板更加灵活，因为用户只需提供部分参数值，而其他参数则会自动采用默认值。
如下为样例代码：

#include   

template <typename T1 = int, typename T2 = double>
void func(T1 t1 = 0, T2 t2 = 0.0)
{
	// 函数体  
}

int main() 
{
	// 不提供任何参数，使用默认类型 int 和默认值 0, 0.0  
	func();

	// 只提供一个参数，类型 T1 使用默认值 int，值被指定为 1  
	func(1);

	// 提供两个参数，同时指定类型 T1 和 T2，以及它们的值  
	func<std::string, float>("hello", 1.2f);

	// 只指定类型 T1 ，类型 T2 使用默认值 double ，值被指定为 -1.0  
	func<char>('a', -1.0);
}

在上面代码中， func 是一个函数模板，它有两个类型参数 T1 和 T2，以及两个对应的参数 t1 和 t2。 T1 和 T2 的默认值分别是 int 和 double ，而 t1 和 t2 的默认值分别是 0 和 0.0 。在调用 func 时，可以只提供部分参数，或者完全不提供参数，此时会使用默认参数。
需要注意的是，函数模板的默认参数是在模板参数列表中指定的，而不是在函数参数列表中。此外，默认参数必须在模板参数列表中从右到左地指定，这意味着只有位于最右边的模板参数才能有默认值。
函数模板的默认参数增加了代码的灵活性和重用性，但也可能导致代码的可读性降低，特别是在模板参数和默认参数较多时。因此，在设计函数模板时，应仔细考虑是否使用默认参数，并确保代码的可读性和可维护性。

3.2 类模板的默认参数

类模板的默认参数是 C++ 模板编程中的一个特性，允许为类模板的某些类型参数提供默认值。这意味着在实例化类模板时，如果没有明确指定某个类型参数的值，就会使用该参数的默认值。
类模板的默认参数增加了模板的灵活性，允许用户以更少的代码创建和使用模板实例。当某个类型参数在多个模板实例中具有相同的值时，通过提供默认参数，可以避免重复指定该值。
如下为样例代码：

#include   

template <typename T1, typename T2 = int>
class MyClass 
{
public:
	MyClass() {}

	void func() 
	{
		// 使用 T1 和 T2 进行某些操作  
	}
};

int main() 
{
	// 不提供 T2 的值，使用默认值 int  
	MyClass<float> obj1;
	obj1.func();

	// 指定 T2 的值  
	MyClass<float, double> obj2;
	obj2.func();
}

在上面代码中， MyClass 是一个类模板，它有两个类型参数 T1 和 T2 。 T2 有一个默认值 int ，这意味着在实例化 MyClass 时，如果没有明确指定T2的类型，它就会默认为 int 。
需要注意的是，类模板的默认参数必须遵循特定的规则：
（1）从右到左规则：类模板的默认参数必须从右到左指定。也就是说，第一个没有默认值的类型参数之前的所有类型参数都必须有默认值。这是因为在模板实例化时，编译器需要从左到右推导类型参数的值，如果某个参数没有默认值，而它右边的参数有默认值，那么编译器就无法推导该参数的值。
（2）非类型参数的默认值：不能为类模板的非类型参数提供默认值。非类型参数必须在实例化模板时明确指定。
（3）默认参数的推导：当使用类模板时，如果提供的实参能够推导出模板参数的类型，那么默认参数将不会被使用。

4 模板的嵌套

模板的嵌套是 C++ 模板编程中的一个重要概念，它允许在一个模板定义中使用另一个模板。这种嵌套可以是类模板内部的函数模板，也可以是类模板内部定义的其他类模板，甚至是类模板作为另一个类模板的参数。
嵌套模板可以增加代码的复用性和抽象能力，使得模板编程更加灵活和强大。

4.1 类模板中的函数模板

在 C++ 中，类模板内部可以定义函数模板，这种函数模板通常被称为成员函数模板或者嵌套函数模板。这意味着可以在类模板内部定义一个接受任意类型参数的函数，而该函数与类模板的类型参数可以是相同的，也可以是不同的。
如下为样例代码：

#include   

template <typename T>
class MyClass 
{
public:
	// 类模板中的成员函数模板  
	template <typename U>
	void print(U value) 
	{
		// 这里可以访问类模板的成员，并使用 U 类型的 value  
		std::cout << "value of type U: " << value << std::endl;
	}
};

int main() 
{
	MyClass<int> obj;

	// 调用成员函数模板，U被推导为int  
	obj.print(42);

	// 调用成员函数模板，U被推导为double  
	obj.print("hello");
}

上面代码的输出为：

value of type U: 42
value of type U: hello

在上面代码中， MyClass 是一个类模板，它有一个成员函数模板 print 。 print 函数模板接受一个类型为 U 的参数， U 是一个独立于类模板类型参数T的类型参数。因此，可以使用不同的类型来调用 print 函数模板，即使 MyClass 的实例是用一个特定的类型（如 int ）来实例化的。
在 main 函数中，创建了一个 MyClass的实例 obj ，并调用了它的 print 成员函数模板两次，分别传递了一个 int 类型的值和一个 std::string 类型的值。虽然 MyClass 是用 int 类型实例化的，但 prin t函数模板能够接受任何类型的值，因为它有自己的类型参数 U 。

4.2 类模板中的函数模板

在 C++ 中，类模板内部还可以定义其他的类模板，这种嵌套的类模板允许创建更加复杂和灵活的数据结构和算法。内部类模板可以有自己的类型参数，这些类型参数可以与外部类模板的类型参数相同，也可以是全新的类型参数。
如下为样例代码：

#include   

template <typename T>
class OuterClass 
{
public:
	// 类模板中的类模板  
	template <typename U>
	class InnerClass 
	{
	public:
		U innerValue;

		InnerClass(U value) : innerValue(value) {}

		void print() 
		{
			std::cout << "inner value: " << innerValue << std::endl;
		}
	};

	OuterClass() 
	{
		// 可以在这里使用InnerClass，例如创建一个InnerClass的实例  
	}
};

int main() 
{
	// 创建 OuterClass 的实例  
	OuterClass<int> outerObj;

	// 在OuterClass 实例中创建 InnerClass 的实例， U 被推导为 double  
	OuterClass<int>::InnerClass<double> innerObj(1.2);
	innerObj.print(); // 输出: Inner value: 1.2  
}

上面代码的输出为：

inner value: 1.2

在上面代码中， OuterClass 是一个类模板，它内部定义了一个名为 InnerClass 的类模板。 InnerClass 有自己的类型参数 U ，这意味着可以为 InnerClass 提供与 OuterClass 不同的类型参数。在 OuterClass 的构造函数中，你可以根据需要创建 InnerClass 的实例。
在 main 函数中，创建了 OuterClass 的一个实例 outerObj ，然后在这个实例中创建了 InnerClass 的一个实例 innerObj 。 InnerClass 的类型参数 U 被推导为 double ，即使 OuterClass 是用 int 类型实例化的。

4.3 类模板作为另一个类模板的参数

在C++中，一个类模板可以作为另一个类模板的参数，这种情况下的模板参数被称为"模板模板参数"。当需要编写一个类模板，它依赖于另一个类模板作为参数时，就会使用到模板模板参数。
如下为样例代码：

#include   

// 定义一个类模板Inner  
template <typename T>
class Inner 
{
public:
	T value;

	Inner(T val) : value(val) {}

	void set(T newVal) { value = newVal; }

	T get() const { return value; }
};

// 定义一个类模板Outer，它接受一个类模板作为参数  
template <template <typename> class InnerTemplate>
class Outer 
{
public:
	InnerTemplate<int> innerObj; // 使用提供的模板模板参数实例化InnerTemplate  

	Outer() : innerObj(1) {}

	void changeValue(int newVal) { innerObj.set(newVal); }

	int getValue() const { return innerObj.get(); }
};

int main() 
{
	Outer<Inner> outer; // 使用Inner作为Outer的模板模板参数  
	std::cout << "initial value: " << outer.getValue() << std::endl;
	outer.changeValue(2);
	std::cout << "changed value: " << outer.getValue() << std::endl;
}

上面代码的输出为：

initial value: 1
changed value: 2

在上面代码中， Inner 是一个简单的类模板，它有一个整数类型的成员 value ，并提供 set 和 get 方法来修改和获取这个值。
Outer 是一个类模板，它接受一个类模板 InnerTemplate 作为参数。在 Outer 的定义中，使用 InnerTemplate 来实例化一个 InnerTemplate 类型的对象 innerObj ，这里 int 是 InnerTemplate 所期望的类型参数。
在 main 函数中，创建了一个 Outer 类型的对象 outer ，这意味着将 Inner 作为 Outer 的模板模板参数。然后，通过 Outer 的公共方法来修改和获取 Inner 对象的值。