C++模板元编程（C++ template metaprogramming）

实验平台：Win7，VS2013 Community，GCC 4.8.3（在线版）

所谓元编程就是编写直接生成或操纵程序的程序，C++ 模板给 C++ 语言提供了元编程的能力，模板使 C++ 编程变得异常灵活，能实现很多高级动态语言才有的特性（语法上可能比较丑陋，一些历史原因见下文）。普通用户对 C++ 模板的使用可能不是很频繁，大致限于泛型编程，但一些系统级的代码，尤其是对通用性、性能要求极高的基础库（如 STL、Boost）几乎不可避免的都大量地使用 C++ 模板，一个稍有规模的大量使用模板的程序，不可避免的要涉及元编程（如类型计算）。本文就是要剖析 C++ 模板元编程的机制。

下面所给的所有代码，想做实验又懒得打开编译工具？一个在线运行 C++ 代码的网站（GCC 4.8）很好~

（本博文地址：http://www.cnblogs.com/liangliangh/p/4219879.html，转载版本将得不到作者维护） 

1. C++模板的语法

函数模板（function template）和类模板（class template）的简单示例如下：

#include <iostream>

// 函数模板
template<typename T>
bool equivalent(const T& a, const T& b){
    return !(a < b) && !(b < a);
}
// 类模板
template<typename T=int> // 默认参数
class bignumber{
    T _v;
public:
    bignumber(T a) : _v(a) { }
    inline bool operator<(const bignumber& b) const; // 等价于 (const bignumber<T>& b)
};
// 在类模板外实现成员函数
template<typename T>
bool bignumber<T>::operator<(const bignumber& b) const{
    return _v < b._v;
}

int main()
{
    bignumber<> a(1), b(1); // 使用默认参数，"<>"不能省略
    std::cout << equivalent(a, b) << '\n'; // 函数模板参数自动推导
    std::cout << equivalent<double>(1, 2) << '\n';
    std::cin.get();    return 0;
}

程序输出如下：

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0

关于模板（函数模板、类模板）的模板参数（详见文献[1]第3章）：

类型参数（type template parameter），用 typename 或 class 标记；
非类型参数（non-type template parameter）可以是：整数及枚举类型、对象或函数的指针、对象或函数的引用、对象的成员指针，非类型参数是模板实例的常量；
模板型参数（template template parameter），如“template<typename T, template<typename> class A> someclass {};”；
模板参数可以有默认值（函数模板参数默认是从 C++11 开始支持）；
函数模板的和函数参数类型有关的模板参数可以自动推导，类模板参数不存在推导机制；
C++11 引入变长模板参数，请见下文。
模板特例化（template specialization，又称特例、特化）的简单示例如下：

// 实现一个向量类
template<typename T, int N>
class Vec{
    T _v[N];
    // ... // 模板通例（primary template），具体实现
};
template<>
class Vec<float, 4>{
    float _v[4];
    // ... // 对 Vec<float, 4> 进行专门实现，如利用向量指令进行加速
};
template<int N>
class Vec<bool, N>{
    char _v[(N+sizeof(char)-1)/sizeof(char)];
    // ... // 对 Vec<bool, N> 进行专门实现，如用一个比特位表示一个bool
};

所谓模板特例化即对于通例中的某种或某些情况做单独专门实现，最简单的情况是对每个模板参数指定一个具体值，这成为完全特例化（full specialization），另外，可以限制模板参数在一个范围取值或满足一定关系等，这称为部分特例化（partial specialization），用数学上集合的概念，通例模板参数所有可取的值组合构成全集U，完全特例化对U中某个元素进行专门定义，部分特例化对U的某个真子集进行专门定义。

更多模板特例化的例子如下（参考了文献[1]第44页）：

template<typename T, int i> class cp00; // 用于模板型模板参数
// 通例
template<typename T1, typename T2, int i, template<typename, int> class CP>
class TMP;
// 完全特例化
template<>
class TMP<int, float, 2, cp00>;
// 第一个参数有const修饰
template<typename T1, typename T2, int i, template<typename, int> class CP>
class TMP<const T1, T2, i, CP>;
// 第一二个参数为cp00的实例且满足一定关系，第四个参数为cp00
template<typename T, int i>
class TMP<cp00<T, i>, cp00<T, i+10>, i, cp00>;
// 编译错误!，第四个参数类型和通例类型不一致
//template<template<int i> CP>
//class TMP<int, float, 10, CP>;

关于模板特例化（详见文献[1]第4章）：

在定义模板特例之前必须已经有模板通例（primary template）的声明；
模板特例并不要求一定与通例有相同的接口，但为了方便使用（体会特例的语义）一般都相同；
匹配规则，在模板实例化时如果有模板通例、特例加起来多个模板版本可以匹配，则依据如下规则：对版本AB，如果 A 的模板参数取值集合是B的真子集，则优先匹配 A，如果 AB 的模板参数取值集合是“交叉”关系（AB 交集不为空，且不为包含关系），则发生编译错误，对于函数模板，用函数重载分辨（overload resolution）规则和上述规则结合并优先匹配非模板函数。
对模板的多个实例，类型等价（type equivalence）判断规则（详见文献[2] 13.2.4）：同一个模板（模板名及其参数类型列表构成的模板签名（template signature）相同，函数模板可以重载，类模板不存在重载）且指定的模板实参等价（类型参数是等价类型，非类型参数值相同）。如下例子：

#include <iostream>
// 识别两个类型是否相同，提前进入模板元编程^_^
template<typename T1, typename T2> // 通例，返回 false
class theSameType       { public: enum { ret = false }; };
template<typename T>               // 特例，两类型相同时返回 true
class theSameType<T, T> { public: enum { ret = true }; };

template<typename T, int i> class aTMP { };

int main(){
    typedef unsigned int uint; // typedef 定义类型别名而不是引入新类型
    typedef uint uint2;
    std::cout << theSameType<unsigned, uint2>::ret << '\n';
    // 感谢 C++11，连续角括号“>>”不会被当做流输入符号而编译错误
    std::cout << theSameType<aTMP<unsigned, 2>, aTMP<uint2, 2>>::ret << '\n';
    std::cout << theSameType<aTMP<int, 2>, aTMP<int, 3>>::ret << '\n';
    std::cin.get(); return 0;
}

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关于模板实例化（template instantiation）（详见文献[4]模板）：

指在编译或链接时生成函数模板或类模板的具体实例源