第十五章：元编程（一）

元编程的引入

在引入元编程之前我们需要回顾下泛型编程，泛型编程是使用一套代码来处理不同的类型。但对于一些特殊的类型需要引入额外的处理逻辑，也就是在编译期引入操作程序的程序-元编程。或者更为通俗的讲，可以将元编程理解为编译期计算。

我们可以使用编译期计算来辅助运行期计算，但需要在概念上着重强调两点

• 这种辅助并不是简单地将整个运算一分为二
• 我们需要详细分析哪些内容可以放到编译期，哪些需要放到运行期。如果某种信息需要在运行期确定，那么通常无法利用编译期计算

元程序的形式通常有以下几种：模板， constexpr 函数，其它编译期可使用的函数（如 sizeof ），在C++中元程序通常以函数为单位，也被称为函数式编程。

接下来我们需要关注元编程中可以处理的数据，也称为元数据，主要有以下几种：

• 基本元数据：数值、类型、模板
• 数组

元程序具有以下两个主要的性质：

• 输入输出均为“常量”
• 函数无副作用：对于相同的输入会产生相同的输出

在C++11中引入一个type_traits元编程库，它主要用作元编程的基本组件，具体的可以参考这里

顺序代码的编写方式

我们首先来看一个简单的例子：为输入类型去掉引用并添加const

template <typename T>
struct Fun
{using RemRef = typename std::remove_reference<T>::type;using type = typename std::add_const<RemRef>::type;
};int main() {Fun<int &>::type x = 3;return 0;
}

代码无需至于函数中：通常会置于模板中，以头文件的形式提供。

我们也可以编写更加复杂的顺序代码：

• 以数值、类型、模板作为输入
• 以数值、类型、模板作为输出

在使用类作为载体之后，我们可以引入权限限定符来防止误用，比如

template <typename T>
struct Fun
{
private:using RemRef = typename std::remove_reference<T>::type;
public:using type = typename std::add_const<RemRef>::type;
};

最后，我们还可以通过引入别名模版来简化调用方式，比如

template <typename T>
struct Fun_
{
private:using RemRef = typename std::remove_reference<T>::type;
public:using type = typename std::add_const<RemRef>::type;
};template <typename T>
constexpr auto Fun = Fun_<T>::type ;

分支代码的编写方式

接下来我们将讨论六种分支代码的编写方式：

• 基于if constexpr的分支：便于理解只能处理数值，同时要小心引入运行期计算（遗漏掉constexpr）

  template <int x>
  int fun(){if constexpr (x > 3){return x * 2;}else{return x - 100;}
  }
  

• 基于（偏）特化引入分支：常见分支引入方式但书写麻烦

  template <int x>
  struct Imp{constexpr static int value = x * 2;
  };template<>
  struct Imp<100>{constexpr static int value = 100 - 3;
  };
  

• 基于std::conditional引入分支：语法简单但应用场景受限

  #include 
  #include 
  #include int main() 
  {typedef std::conditional<true, int, double>::type Type1;typedef std::conditional<false, int, double>::type Type2;typedef std::conditional<sizeof(int) >= sizeof(double), int, double>::type Type3;std::cout << typeid(Type1).name() << '\n';std::cout << typeid(Type2).name() << '\n';std::cout << typeid(Type3).name() << '\n';
  }
  输出分别为：
  int
  double
  double
  

• 基于 SFINAE 引入分支

  1. 基于 std::enable_if 引入分支：语法不易懂但功能强大

     template <int x, std::enable_if_t<(x>=100)>* = nullptr>
     constexpr auto fun(){return x * 2;
     }
     template <int x, std::enable_if_t<(x<100)>* = nullptr>
     constexpr auto fun(){return x - 2;
     }
     

     注意用做缺省模板实参不能引入分支！

  2. 基于std::void_t引入分支： C++17 中的新方法，通过“无效语句”触发分支，具体的例子参考这里

• 基于concept引入分支： C++20 中的方法，可用于替换enable_if，具体的例子参见上一章

• 基于三元运算符引入分支： std::conditional 的数值版本

  template <int x>
  constexpr  auto fun = (x<100) ? x * 2 : x - 3;
  

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