第1章模板元编程Ⅰ.docx

《第1章模板元编程Ⅰ.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章模板元编程Ⅰ.docx（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、模板元编程（I）C+是一种功能强大到几乎可称为“万能”的语言，支持许多种不同的编程范式，而由 泛型编程衍生出的模板元编程（template meta-programing,简称元编程）则无疑是其中 最复杂、最强大和最具威力的一种，可算得上是C+的“终极”技巧（传说中的“大杀器”，笑）。所谓“元程序”metaprogram,意思就是a program about a program”，它有着完全不同于普通程序的许多特点，是一种全新的编程体验。作为本书的第一章，首先 来讨论模板元编程的一些基本概念，它们是许多Boost程序库组件的基础，了解模板元编程 有助于我们对Boost的进一步学习。1.1 模

2、板元编程概述元编程也可译为“超程序”、“超编程”或“产生式编程”，这个译法一定程度上反映了 其本质一一它是一种位于普通程序之上、超越普通程序的程序，是一种可以操纵、产生程序 的程序。C+ +中的模板元编程是无意中被“发现”而不是“发明”出来的，是一种对“类型”计 算的程序，关于它的诞生有许多有趣的传奇和故事。模板元编程本质上是泛型编程的一个子 集，从广义上来说，所有使用template的泛型代码都可以称作是元程序，因为泛型代码不 是真正可编译执行的代码，它们只是定义了代码的产生规则，是用来生成代码的“模板”。然而模板元编程又不完全等同于泛型编程，它是一种“函数式编程”，并且已经被证明 是图灵完

3、备的，也就是说它具有足够的“计算”能力，可以“计算”任何东西。模板元编程 的执行是在编译期，它把编译器变成了元程序的解释器，可以把C+的类型体系像面团一样 is_class is_enum is_union is_complex is_pointer:检查T是否是一个class或者struct；：检查T是否是一个枚举类型；：检查T是否是一个联合类型；:检查T是否是一个标准库的复数类型（std: : complex ）；：检查T是否是一个指针或函数指针类型，但不是成 员指针； is_lvalue_reference ：检查T是否是一个左值引用类型； is_rvalue_reference ：检查

4、T是否是一个右值引用类型； is_reference:检查T是否是一个引用类型（左引用或右引用）； is_function：检查T是否是一个函数类型，但不是函数指针或引用。下面的代码示范了其中部分元函数的用法:assert(mp_eval(is_array);assert(mp_eval(is_array);/一维数组类型/多维数组类型assert(mp_eval(is_class);assert(mp_eval(is_classstd:vector );/一个空类标准容器类assert (mp_eval (is_comp 1 exstd: : complex );/复数assert (mp_

5、eval (is_pointer);assert(mp_eval(is_pointer);整型指针函数指针assert(mp_eval(is_reference) ) ;/弓I用assert (mp_eval (is_referencestd: :deque const&); 容器常弓I用assert(mp_eval(is_function);函数类型检查成员指针类型最后是两个专门用于识别类成员指针类型的元函数:is_union的功能实现需要编译器的支持，有的编译器会把union识别为class/structotype_traits库原木只有is_reference,Boost 1.45版后增

6、加了对左弓I用（T&）和右弓I用（T&）的区分，但因为右引用语法是2+11里的新特性，故无法在C+98标准中进行测试，请读者见谅。 is_member_object_pointer ：检查T是否是指向成员变量的指针; is_member_function_pointer ：检查T是否是一个成员函数指针。示范这两个元函数用法的代码如下：struct dummy(int x;double y;void func()/一个简单的类/int成员变量 /double成员变量成员函数assert(mp_eval(is_member_object_pointer);assert(mp_eval(is_mem

7、ber_object_pointer);assert(mp_eval(is_member_function_pointer);1.2.3 元数据类别(II )在16个基本元函数之上，type_traits库又提供了六个检查复合类别(composite traits)的元函数，它们相当于多不基本类别的组合，使用：valu返回bool类型的检 查结果，列举如下： is_arithmetic：检查T是否是算术类型，相当于is_integralT | | is_float； is_fundamental：检查T是否是基本类型，相当于is_arithmetic1 I is_void； is_compou

8、nd：检查T是否是复合类型，即非基本类型，相当于！ is_ fundamental； is_member_pointer ：检查T是否是成员指针，包括指向数据成员和函数成 is_object员的指针，相当于 is_member_object_pointer | is_member_function_pointer；：检查T是否是实体对象类型，即引用、void和函数之 外的所有类型，相当于！ is_reference & ! is_ void & !is function； is scalar：检查T是否是标量类型，即算术类型、枚举、指针和成员指针,相当于 is_arithmeticT | |

9、is_enum | | is_pointer | | is_member_pointero示范这些检查复合类别元函数的代码如下：/char是算术类型/float是算术类型/void不是算术类型/void是基本类型assert(mp_eval(is_arithmetic);assert(mp_eval(is_arithmetic);assert(!mp_eval(is_arithmetic);assert (mp_eval (is_fundamentaKvoid const);assert (mp_eval (is_member_pointer);戊员指专I，标准字符串是复合类型标准字符串也是对

10、象类型int是标量类型标准容器不是标量类型assert(mp_eval(i s_compound); assert(mp_eval(is_object);assert(mp_eval(is_scalar);assert(!mp_eval(is_scalarstd:vector );1.2.4 元数据属性除了检查类别，type_traits库里还有更多的元函数用于获取元数据更细致的属性。 这些元函数都是值元函数，以is_和has_开头的元函数使用：value返回bool类型的检 查结果，其他元函数使用：valu返回整数。检查数组的属性 rank ：如果T是数组，那么返回数组的维数，否则返回0;

11、extent：如果T是数组，那么返回数组第N个维度（从0计数）的值，否则 返回0。检查基本的修饰词 is_const :检查T是否被const修饰； is_volatile：检查 T 是否被 volatile 修饰； is signed ：检查T是否是有符号整数; is_unsigned：检查T是否是无符号整数。检查class的属性 is_pod is_empty is_abstract：检查T是否是一个POD类型；：检查T是否是一个空类（可参见小节）;:检查T是否是一个抽象类（有纯虚函数）； is_polymorphic ：检查T是否是一个多态类（有虚函数）。检查class的四大成员函数（构

12、造、析构、拷贝构造和赋值） has_nothrow_constructor ：检查T是否有不抛出异常的构造函数； has_nothrow_default_constructor：检查T是否有不抛出异常的缺省构造函数； has_trivial_constructor ：检查T是否有“平凡”的构造函数； has_trivial_default_constructor：检查 T 是否有“平凡”的缺省构造函数； has_trivial_destructor ：检查T是否有“平凡”的析构函数； has_virtual_destructor ：检查T是否有虚析构函数； has_nothrow_copy：检

13、查T是否有不抛出异常的拷贝构造函数； has_nothrow_copy_constructor： 同 has_nothrow_copy； has_trivial_copy:检查T是否有“平凡”的拷贝构造函数; has_trivial_copy_constructor：同 has_trivial_copy； has_nothrow_assign：检查T是否有不抛出异常的赋值函数；POD是术语Plain Old Data的缩写，但没有明确的定义。通常来说基本类型（is_fundamental: value = true）都是POD,而复合类型的POD则没有构造函数、析构函数、废函数，内存布局是连

14、续的，与C语言定义的类型等价。trivial”这个术语在C+中是指“平凡”、“非特殊”的含义，“平凡”的构造、析构函数没有任何 操作，“平凡”的拷贝构造函数、赋值函数类似于memcpy操作，因而可以被编译器优化。 has_trivial_assign：检查T是否有“平凡”的赋值函数。其他属性 has_new_operator ：检查 T 是否重载了 operator new； is_stateless ：检查T是否是一个无状态类，即一个“平凡”的空类； alignment_of ：T在内存中字节对齐的倍数。以上一共列举了 25个属性检查元函数，下面的代码简要示范了其中部分元函数的用法:获得数组

15、inti 2 3的维数assert(mp_eval(rank) = 2);因extent。有多个元参数，失效，只能使用原始形式获取第二个维度标准字符串不是POD类型函数对象是空类标准流是多态的assert(extent:value = 3);assert(!mp_eval(is_pod);assert(mp_eval(is_emptystd:plus );assert (mp_eval (is_jpolymorphic);标准字符串的构造函数和拷贝构造函数可能会抛出异常assert(!mp_eval(has_nothrow_constructor);assert(!mp_eval(has_no

16、throw_copy);/验证各个类型的字节对齐assert(mp_eval(alignment_of) = 1);assert(mp_eval(alignment_of) = 4);assert(mp_eval(alignment_ofstd:vector ) = 4);1.2.5 元数据之间的关系type_traits库提供四个元函数计算元数据之间的关系，它们都是两参值元函数，使 用：:value返回bool类型的检查结果：捏来捏去，肆意打碎再任意组合起来，拥有近乎不可思议的“魔力”。虽然模板元编程使用的是标准的C+语言，遵循同样的语法规则，但它在编程思想、编 程范式等很多方面都与普通的运

17、行时C+程序有很大的不同。模板元编程产生的元程序是在 编译期执行的程序，操作的对象也不是普通的变量，因此不能使用运行时的C+ +关键字（如 if、else, for）,可用的语法元素相当有限，最常用的是： enum. static,用来定义编译期的整数常量； typedef,最重要的元编程关键字，用于定义元数据； template,模板元编程的“起点”，主要用于定义元函数； “：”，域运算符，用于解析类型作用域获取计算结果（元数据）。下面简单介绍模板元编程领域中的三个最基本的概念，熟悉它们才能够理解模板元编程 和元程序。当然元编程中远不止这些，还有lambda表达式、容潜、迭代潜、算法、视图等

18、 更高级的概念，它们将在本书的第11章叙述。1.1.1 元数据元编程可操作的数据就称为“元数据（metadata）,也就是C+编译器在编译期可操 作的数据，它是元编程的基础。元数据都是不可变的，不能够就地修改，最常见的元数据是整数和C+的类型（type）。对于整数大家都很熟悉，普通程序在运行时也可以很容易地处理，但在模板元编程中的 元数据更多的是以类型（type）的面目出现。这些元数据不是普通的运行时变量，而是如 int. double, class （非模板类）这样的抽象数据类型一一这是模板元编程与普通运行时 编程的一个最根本的不同点，也是元编程的威力所在（类型的计算）和令初学者感到最困惑

19、的地方。如果对元数据再进行细分归类，则元数据又可以分成整数元数据、值型元数据（int、 double等POD值类型）、函数元数据（函数类型）、类元数据（class、struct等用户自 定义类型）等等。为了更明确地表述元数据的概念，本书后面的“元数据” 一词特指非整数 的类型元数据。使用typedef关键字可以任意定义（声明）元数据，很像运行时的变量定义语句， 例如：元数据meta datal,值为inttypedef int meta_datal;元数据 meta_data2,值为 vectortypedef std:vector meta_data2;1.1.2 元函数元函数（meta f

20、unction）是模板元编程中用于操作处理元数据的“构件”，可以在编 译期被“调用”，因为其功能和形式类似运行时的函数而得名，是元编程中最重要的构件。元函数实际上表现为C+中的一个类或者模板类，它的通常形式是：template /元函数参数歹U表struct meta_function/元函数名（typedef some-define type;元函数返回的元数据static int const value = some-int;元函数返回的整数；/使用分号结束元函数的定义编写元函数就像是编写一个普通的运行时函数，但形式上却是一个模板类：函数参数列表圆括号（）变成了模板列表声明的尖括号,函数的

21、形参变成了模板参数 （即元数据）。因为元编程不能使用运行时关键字，所以元函数不能像普通函数那样使用 return返回计算结果，而是需要在元函数（模板类）内部用typedef定义一个名为type 的类型（元数据）或者名为value的值作为返回。还要注意的一个小区别是元函数最后要 以分号（；）结束，这是因为元函数实质上是一个类，C+的语法要求类定义需要分号。通常来说，所有的元函数都有：typ返回值，但不一定有：value返回值，但为了方 便通常值元函数也会提供直接的：:value,相当于：:type: : valueo进一步类比普通函数有助于我们更好地理解元函数：元函数同样也有形参、实参的概念，元

22、函数的形参就是模板参数列表中的模板参数，实 参就是元函数被调用时的真正类型（元数据），元函数的调用就是编译器对模板的实例化计算 依赖的类型。元函数也可以没有返回值（即不定义内部类型type）,也可以有重载，也可以 有缺省参数，也可以分为无参、单参、多参等类别，但元函数没有普通函数参数传值、传引实际上return也无法返回非整数的元数据。这里的type和value名字仅仅是Boost模板元编程领域的一个非强制性的约定，统一遵循这个约定 会方便元函数的使用，用户无须杳看源代码就可以确定元函数内部必定有名为type或value的内部定 义。当然我们也可以自己另行建立套自己的约定，但这通常没有必要。用

23、的区别，也没有函数指针的概念，而且如果需要，元函数可以使用typedef关键字返回 任意多个返回值，并且这些值没有顺序关系(可以将只返回：type的元函数称为标准元函 数，而返回多个元数据的元函数称为非标准元函数)。下面的代码是一个最平淡无奇的值元函数，它计算两个整数的和:#includeboost/提供 BOOST_STATIC_CONSTANT 宏template两个整数元数据struct meta_funcl/元函数 meta_funcl(BOOST_STATIC_CONSTANT (int, value = N + M); 编译期计算整数之和 ；计算结果可以这样得到：cout meta

24、_funcl : : value endl;/使用：value 获得计算结果读者需注意元函数meta_funcl的执行过程，它的计算在编译的时候就己经完成了 (即模板实例化)，实际程序执行时没有计算动作而是直接使用结果，如果这是一个大型的元 函数，那么在编译期节约的计算工作量就会相当可观，可以显著提高程序运行时的效率。因为元函数的计算发生在编译期，所以下面的代码不能成立：int i = 10, j = 10;/两个运行时变量meta_funcl: rvalue;/错误，元函数无法处理运行时普通数据下面的代码示范了另一个元函数，它返回元函数参数中的第一个元数据：template /两个形参，T1

25、 和 T2 struct selectlst/元函数 selectlst(typedef T1 type;/返回 T1)；请读者谨记一点，元函数就是一个形式上很像函数的一个模板类，它用于计算类型。在 本书之后的叙述中，为了把元函数与普通的C + +类区分，元函数名称后面将总有模板参数列 表符号，这种表述形式很像是一个函数。1.1.3 元函数转发这是模板元编程中一个经常用到的惯用法，相当于运行时的函数转发调用，但在模板元 编程中则要使用public派生实现，模板参数传递给父类完成元函数的调用，这样子类会自 动获得父类的：type定义，也就完成了元函数的返回。例如，下面的代码把元数据调换位置后转发

26、给之前定义的元函数selectlsto,相当 于select2nde的功能：templatestruct forward :/元函数转发，使用struct的默认public继承selectlst 参数位置变动（）；元函数转发等价于如下的写法，但因为使用了类继承所以更加简洁易读：templatestruct forward/元函数，不使用转发（typedef typename selectlst: :type type;调用元函数计算；本书后面的章节中将会有元函数转发的多处应用示例，如小节。1.1.4 方便的工具模板元编程是一种全新的C+编程范式，但却仍然使用原有的C+语法，通篇的 typede

27、f、template关键字使元程序看起来有如“天书”，对于初学者来说通常很难在短 时间内适应这种转变。作者在实际开发工作中使用宏定义了一些模板元编程的“伪关键字”, 一定程度上能够使模板元程序更加清晰易懂，更能够显示其元编程的本意，也确实收到了较 好的效果。这些自定义“伪关键字”均以mp_开头（如果读者不喜欢这个前缀也可以改用meta_ 或者其他自己觉得更有意义的单词），由于使用了小写的形式让“伪关键字”代码形式上更像 关键字，代码看起来更加漂亮：/ mp_#definemparglisttemplate/元函数参数列表开始#definempargtypename/元函数参数声明#define

28、mp_functionstruct/元函数定义#definemp_datatypedef/元数据定义#definemp_return(T)mp_data Ttype /无函数返回#definemp_exec(Func)Func:type/获得元函数返回结果#definempeval(Func)Func:value/获得元函数返回值这个头文件（mp ）分别把template、typename、struct和typedef这I四个元编 程中最常用的关键字进行了重命名：mp_arg1ist表示元函数的参数列表开始，mp_arg表 示元函数的参数，mp_function表示定义一个元函数，mp_dat

29、a表示定义一个元数据。后 三个宏mp_return、mp_exec和mp_eval则定义了元编程中约定的返回值用法，较原写 法更清楚。使用这些“伪关键字”，之前的元数据和元函数可以改写成如下的形式：mp_data int meta_datal;/元数据 meta_datal,值为 intmp_arglist/元函数参数是 T1 和 T2mp_function selectlst/元函数 selectlst(mp_return (T1) ;/返回 T1)；很明显，使用了元编程“伪关键字”后元程序看起来更清楚，很容易地就能够把它们与 普通的泛型代码区分开来。不过读者需要注意的是由于宏自身的限制，后

30、三个“伪关键字”的作用有限，它们只能 处理简单的参数，如果是带有逗号“，”的模板类就会失效。本章之后的部分代码会把这些自定义的元编程“伪关键字”与C + +的标准关键字混用， 读者阅读时需注意。1.1.5 应用示例本小节通过两个简单的例子来示范元编程的基本使用，仅作为演示，并不具备太多的实 际价值，更多的元编程示例可见本书的后续章节。编译期比较大小下面首先来编写一个值元函数，它在编译期比较两个int型整数的大小，返回其中的较 小者，代码非常简单：mp_arglistmp_function static_min/元函数 static_min(static const int value = (L

31、 R) ? L : R; ？：操作符可用于编译期static mine用起来也很容易，例如:assert(static_min:rvalue = 10);虽然static_min的代码很简单，但如同标准库的std: :min ()一样，这样小而有 用的元函数对于元编程也非常重要的，Boost专门在头文件boost/integer/ 提供了可以处理任意有符号整数和无符号整数的min/max元函数， 原理相同，但实现更加坚固可靠。操作类型的元函数接下来编写一个元函数demo_func,如果输入的元数据T是指针类型则返回const T,否则返回const”。因为元编程中不能使用if-else分支语句

32、，所以我们的主要实现 手段就是模板特化，不同的条件特化不同的实现代码：mp_arglist/单参元函数mp_function demo_func元函数 demo_func(mp_return (const T*) ;/通常情况返回 const T*； mp_arglistmp_function demo_func 对T*情况进行模板特化 (mp_return (const T) ;/返回 const T)；对元函数demo_func的验证可以使用1.2.5小节介绍的is_same元函数，它用 来比较两个元数据薪相等：assert(is_samemp_exec(demo_func), const

33、 int*:value); assert(is_samemp_exec(demo_func) , const int:value);这里的assert语句必须使用两对括号来包围断言，否则会因为宏无法识别模板语法, 导致错误的逗号解析造成编译失败。1.2 type_traits了解了基本的模板元编程概念后我们来学习第一个模板元编程库：type_traits,它示例代码中的assert宏完全可以使用BOOS T_S TAT I C_AS S ERT替代，而且会更明显地表明元函数编 译期运行的意图，不使用BOOST STATIC AS维RT完曩照顾版面布局的原因(单词太长了)。以库的方式实现了人们原

34、本以为必须扩展C+语言才能实现的类型特征提取功能，是泛型编 程和模板元编程所必需的基础设施，己经被收入C+11 triotype_traits位于名字空间boost,为了使用type_traits组件，需要包含头文件,即：#include using namespace boost;1.2.1 概述type_traits提供一组特征（trait）类一一即元函数，可以在编译期确定类型（元 数据）是否具有某些特征，例如是否是原生数组，是否是整数。此外它还提供了判断类型之 间的关系和操作类型的元函数，可以检查两个类型是否是同一个类型，或者为类型增添或移 除const、volatil等修饰词。因为这些

35、特征类都是元函数，所以它们都在编译期执行， 不会有任何运行时的效率损失。type_traits库提供数十个元函数，可以按照返回类型和功能分类。根据返回类型type_traits库所提供的元函数可分为以下两大类： 检查元数据属性的值元函数：以：value返回一个bool值或者一个整数; 操作元数据的标准元函数：对元数据进行计算，以：typ返回一个新的元数据。type_traits库中以is_和has_开头的元函数均属于值元函数，其他则属于标准元 函数，但少数元函数也有例外。根据元函数实现的功能type_traits库所提供的元函数可分为以下六类: 检查元数据的类别 检查元数据的属性 检查元函数之

36、间的关系 转换元数据：均以is_开头，都是值元函数；：大部分以is_和has_开头，都是值元函数;：均以is_开头，都是值元函数；：都是标准元函数，返回转换后的类型； 用指定的对齐方式组合类型：包括type_with_alignmentT和aligned_Boost自带文档中把type_traits库操作的对象称为type （类型），但本书作者认为名字太过于平淡 而不突出，因此依据模板元余程统称为元数据，有利于保持概念致性，希望读者阅读时注意。storageT两个无函数，本书不做介绍； 解析函数元数据：是非标准元函数。接下来的数个小节我们将以功能分类逐个介绍type_traits库里的元函数。

37、1.2.2 元数据类别(I )type_traits库提供16个值元函数检查元数据T的基本类别(primary traits), 被检查的元数据前可以用const、volatile关键字修饰，元函数用：value返回bool 类型的检查结果。检查基本类型检查基本C+类型的元函数有以下四个: is_integral：检查T是否是bool、char、int、long等整型，这些整型前 可以有signed、unsigned等关键字； is_float/is_floating_point：检查 T 是否是 float、double、long double等浮点型； is void :检查类型T是否为v

38、oid类型。示范这四个元函数用法的代码如下，其中的类型应视为元数据常量:assert (mp_eval (is_integral) ) ;/有 const 修饰/指针类型不是整型/double属广浮点类型/float属于浮点类型 整数类型不是浮点类型检查void类型/void*指针类型不是voidassert(mp_eval(is_integral); /有 unsigned 修饰assert(!mp_eval(is_integral);assert(mp_eval(is_float);assert (mp_eval (is_floating_point);assert(!mp_eval(is_floating_point);assert(mp eval(is_void);assert(!mp_eval(is_void);检查其他类型接下来的十个元函数检查其他的C+类型: is array：检查T是否是一个原生数组(包括一维利多维数组);