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C++模板元编程(一)：元编程与运行时编程的对比
2006-10-21 00:11:23
废话就不多说了，进入正文。
一 函数 1.函数的声明 普通函数： int square(int x, int y); 元函数： template 2.函数的定义 运行时函数的典型例子如： int square(int x, int y) { return x * x + y * y; } 对应的元函数为： template struct Squart{ enum{ Value = x * x + y * y }; }; 元函数都是用模板类来定义的，模板参数对应函数参数，在类里面定义常量或类型等来返回结果。通常我们使用 Value 来表示整数结果(通常用 enum 来定义)，用 Result(通常用 typedef 来定义) 来表示类型结果。 3.函数的调用 运行时函数调用时的实参可以时常量，也可以时一个变量。而元函数的实参必须时编译期常量。 运行时函数调用例子如： std::cout< 元函数的调用方法: std::cout< 4. 函数的参数 运行时函数的参数不必多说，元函数可以使用的参数有： (1). 整数类，包括 char, short, int, long，指针等等。可以时有符号的，也可以时无符号的。 (2). typename, 类型，包括基本类型以及自定义类型。 (3). class, 在 C++ 中的定义与上同。但我们使用的时候通常只用于那些只表示自定义类型，不包括基本类型的情况。 (4). 回调元函数，和运行时函数可以接受一个函数指针来进行回调一样，元函数的参数也可以是另外一个元函数，以此来实现元函数的回调。文字本非我所长，还是用例子来说明吧。 先来回顾一下运行时情况是如何使用回调函数的： 两个用于回调的函数如 int add(int x, int y) { return x + y; } int mul(int x, int y) { return x * y; } 使用回调函数指针的函数 int run(int x, int y, int z, int (*manip)(int, int)) { return manip(x, manip(y, z)); } 调用方法 run(10, 10, 10, add); run(10, 10, 10, mul); 好了，现在我们用模板元函数来完成和上面一样的功能: 两个用于回调的函数 template struct Add{ enum{ Value = x + y }; }; template struct Mul{ enum{ Value = x * y }; }; 使用回调函数模板的元函数 template struct Run{ enum{ Value = Manip }; }; 最后调用的情况 Run<10, 10, 10, Add>::Value Run<10, 10, 10, Mul>::Value 对比以上两种情况，可以发现他们几乎是相同的。看看函数指针和被称为模板模板参数的元函数指针： int (*manip)(int, int) template 它们也是如此的相似。 PS.以上为了表现普通函数和元函数的共同之处，建立元函数的概念故使用在两者都能使用的整数作为例子。在实际应用中元函数操作的通常是类型，而不是编译期整数。另外对其差别也未曾细述，不过只要牢记元函数只由编译器来解释执行，不会在运行期留下任何痕迹，不能使用运行期的任何东西，其差别就不难把握。 二 结构化 结构化程序所要求的 3 大结构：顺序、选择、循环在元编程中都能够实现，但其使用起来就不象元函数那么漂亮了，下面依次说明。 1. 顺序结构 顺序结构是最简单的结构，其实现也很简单，举例就看明白了： template struct Max{ private: enum{ temp = x > y ? x : y }; public: enum{ Value = temp > z ? temp : z }; }; 唯一需要注意下的就是最好能够吧中间的计算过程放在 private 区，只把要返回的内容放在 public 区。 2. 选择结构 元编程里的语句有限(基本上就是 enum 和 typedef, 有时也可以使用类的静态变量或静态函数等等)，没有运行时的 if-else, switch-case 语句。在元编程里实现选择结构时利用 C++ 提供的模板偏特化(这里把全特化视为一种特殊的偏特化，不另外指明了)机制来模拟的。下面我们以实现取绝对值的函数来说明。当然这个例子其实可以用 x < 0 ? -x : x 一个表达式来完成的，但对于需要操作类型的元函数来说是无法使用 ? : 表达式的，本例旨在说明选择结构。 先来看按普通选择结构的实现： int abs(int x) { if(x < 0) return -x; else return x; } 下面是元编程使用模板偏特化的方法实现： template template struct AbsImp enum{ Value = -x }; }; template struct AbsImp enum{ Value = x }; }; template struct Abs{ enum{ Value = AbsImp }; }; 这个样子确实不怎么漂亮啊，不过我们可以写一个模板来简化： template template struct if_else enum{ Value = ifv }; }; template struct if_else enum{ Value = elsev }; }; 有了以上这个模板我们的 Abs 函数可以简化为： template struct Abs{ enum{ Value = if_else }; }; 上面的 if_else 模板看上去和 ? : 表达式一样，关键在于稍加修改就可以让它用于操作类型。 if_else 模板是可以通用的，只需要写一次，而且更棒的是，Loki, boost::mpl 等库中已经为我们提供了类似的 if, switch 模板函数了。 2. 循环结构 元编程中也没有直接的循环结构语句，要实现循环结构是靠递归和选择结构来模拟的。我们知道，任何递归都可以用循环来代替的。其实，任何循环也可以用递归来代替，前提是你有足够的堆栈来支持足够的递归曾数。编译器支持的元函数递归层数是有限制的，所以模拟出来的循环结构的循环次数也是有限制的。 先来看看运行期函数如何用递归和选择来实现循环,例如要实现如下的循环： int f() { int num = 0; for(int i = 0; i < 10; ++i) { num = num + i; } return num; } 如果用递归来模拟的话: int recuf(int num, int i) { if(i == 10) return num; else return recuf(num, i+1) + i; } int f() { return recuf(0, 0); } 根据上面的递归方法我们可以对比元编程中的方法： template template struct metaF enum{ Value = num }; }; // if(i == 10) return num template struct metaF{ enum{ Value = metaF }; }; // else return refcuf(num, i+1) + i 利用偏特化模拟了 if - else, 在 Value = metaF 三 库 有了函数，有了顺序、选择、循环结构，我们可以做很多事情了。不过和传统编程一样，我们还需要库来提供一些基本功能，避免重复造车轮的工作。标准模板库中的某些类或许对元编程有些用处，但他们不是为元编程设计的，功能远远不够。目前元编程方面的库还远不能和传统编程的库相比，似乎只有 boost::mpl 及一些相关组件可供使用。 ▲评论 |
