C++11模版元编程

1.概述

　　模版元编程（template metaprogram）是C++中最复杂也是威力最强大的编程范式，它是一种可以创建和操纵程序的程序。模版元编程完全不同于普通的运行期程序，它很独特，因为模版元程序的执行完全是在编译期，并且模版元程序操纵的数据不能是运行时变量，只能是编译期常量，不可修改，另外它用到的语法元素也是相当有限，不能使用运行期的一些语法，比如if-else，for等语句都不能用。因此，模版元编程需要很多技巧，常常需要类型重定义、枚举常量、继承、模板偏特化等方法来配合，因此编写模版元编程比较复杂也比较困难。

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　　现在C++11新增了一些模版元相关的特性，不仅可以让我们编写模版元程序变得更容易，还进一步增强了泛型编程的能力，比如type_traits让我们不必再重复发明轮子了，给我们提供了大量便利的元函数，还提供了可变模板参数和tuple，让模版元编程“如虎添翼”。本文将向读者展示C++11中模版元编程常用的技巧和具体应用。

2.模版元基本概念

　　模版元程序由元数据和元函数组成，元数据就是元编程可以操作的数据，即C++编译器在编译期可以操作的数据。元数据不是运行期变量，只能是编译期常量，不能修改，常见的元数据有enum枚举常量、静态常量、基本类型和自定义类型等。

　　元函数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”，因为它的功能和形式和运行时的函数类似，而被称为元函数，它是元编程中最重要的构件。元函数实际上表现为C++的一个类、模板类或模板函数，它的通常形式如下：

template<int N, int M>
struct meta_func
{
    static const int value = N+M;
}

　　调用元函数获取value值：cout<<meta_func<1, 2>::value<<endl;

　　meta_func的执行过程是在编译期完成的，实际执行程序时，是没有计算动作而是直接使用编译期的计算结果的。元函数只处理元数据，元数据是编译期常量和类型，所以下面的代码是编译不过的：

int i = 1, j = 2;
meta_func<i, j>::value; //错误，元函数无法处理运行时普通数据

　　模板元编程产生的源程序是在编译期执行的程序，因此它首先要遵循C++和模板的语法，但是它操作的对象不是运行时普通的变量，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 const，用来定义编译期的整数常量；
• typedef/using，用于定义元数据；
• T、Args...，声明元数据类型；
• template，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）。

如果模板元编程中需要if-else、for等逻辑时该怎么办呢？

模板元中的if-else可以通过type_traits来实现，它不仅仅可以在编译期做判断，还可以做计算、查询、转换和选择。

模板元中的for等逻辑可以通过递归、重载、和模板特化（偏特化）等方法实现。

下面来看看C++11提供的模版元基础库type_traits。

3.type_traits

　　type_traits是C++11提供的模板元基础库，通过type_traits可以实现在编译期计算、查询、判断、转换和选择，提供了模板元编程需要的一些常用元函数。下面来看看一些基本的type_traits的基本用法。

　　最简单的一个type_traits是定义编译期常量的元函数integral_constant，它的定义如下：

template< class T, T v >
struct integral_constant;

　　借助这个简单的trait，我们可以很方便地定义编译期常量，比如定义一个值为1的int常量可以这样定义：

using one_type = std::integral_constant<int, 1>;

或者

template<class T>
struct one_type : std::integral_constant<int, 1>{};

　获取常量则通过one_type::value来获取，这种定义编译期常量的方式相比C++98/03要简单，在C++98/03中定义编译期常量一般是这样定义的：

template<class T>
struct one_type
{
    enum{value = 1};
};

template<class T>
struct one_type
{
    static const int value = 1;
};

　　可以看到，通过C++11的type_traits提供的一个简单的integral_constant就可以很方便的定义编译期常量，而无需再去通过定义enum和static const变量方式去定义编译期常量了，这也为定义编译期常量提供了另外一种方法。C++11的type_traits已经提供了编译期的true和false，是通过integral_constant来定义的：

typedef  integral_constant<bool, true> true_type;
typedef  integral_constant<bool, false> false_type;

　　除了这些基本的元函数之外，type_traits还提供了丰富的元函数，比如用于编译期判断的元函数：

　　这只是列举一小部分的type_traits元函数，type_traits提供了上百个方便的元函数，读者可以参考http://en.cppreference.com/w/cpp/header/type_traits，这些基本的元函数用法比较简单：

#include <iostream>
#include <type_traits>

int main() {
  std::cout << "int: " << std::is_const<int>::value << std::endl;
  std::cout << "const int: " << std::is_const<const int>::value << std::endl;

  //判断类型是否相同
  std::cout<< std::is_same<int, int>::value<<"\n";// true
  std::cout<< std::is_same<int, unsignedint>::value<<"\n";// false

  //添加、移除const
  cout << std::is_same<const int, add_const<int>::type>::value << endl;
  cout << std::is_same<int, remove_const<const int>::type>::value << endl;

  //添加引用
  cout << std::is_same<int&, add_lvalue_reference<int>::type>::value << endl;
  cout << std::is_same<int&&, add_rvalue_reference<int>::type>::value << endl;

  //取公共类型
  typedef std::common_type<unsigned char, short, int>::type NumericType;
  cout << std::is_same<int, NumericType>::value << endl;

  return 0;
}

 　　type_tra