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I.背景
C++在很多人的心目中，一直是一種OO語(yǔ)言，而事實(shí)上，現(xiàn)在對(duì)C++的非OO部分的各種使用被逐漸地挖掘出來(lái)，其中最大的部分莫過(guò)于是 template。STL、loki、boost， ，很多先行者為我們提供了方案，有的已經(jīng)被列入C++標(biāo)準(zhǔn)的一部分。template的一個(gè)重要使用方法就是template meta programming，它利用編譯器對(duì)于template的解釋是靜態(tài)的這一特性，讓編譯器在編譯時(shí)做計(jì)算，可以有效的提高程序的運(yùn)行速度。有關(guān)于 template meta programming的記載，最早見于Erwin Unruh，他在1994年寫了一個(gè)用template計(jì)算質(zhì)數(shù)的程序。我希望通過(guò)這篇文章介紹一些TMP的基本技巧和應(yīng)用，并且最終完成一個(gè)質(zhì)數(shù)計(jì)算程序。
（閱讀本文的過(guò)程中，建議你試圖編譯每一個(gè)給出的程序。由于所有的類只需要public成員，所以都用struct聲明，但是仍然稱之為類。）
II.技術(shù)
通常我們編寫一個(gè)（小）程序，需要的語(yǔ)言支持其實(shí)不必很多，只要有順序、選擇和循環(huán)三種控制結(jié)構(gòu)理論上就可以寫出大多數(shù)程序了。我們先用TMP建立一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言環(huán)境。
1.打印
程序有了結(jié)果，需要有一個(gè)方式反饋給運(yùn)行者，這里我們利用C++的出錯(cuò)信息，建立一個(gè)打印函數(shù)。要知道我們希望一切都在編譯的時(shí)候結(jié)束，那么我們就必須讓C++編譯器在編譯信息里面告訴我們，所以我們利用編譯器的出錯(cuò)信息。當(dāng)然這只是一個(gè)trick，如果你的TMP只是程序的一部分，你可以使用正常的輸入輸出。
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
這個(gè)類，每當(dāng)別人引用到它的result的時(shí)候，編譯器就會(huì)打印出錯(cuò)信息，因?yàn)橐粋€(gè)unsigned int是不能隱式的轉(zhuǎn)成一個(gè)unsigned char*的。譬如下面這段程序
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
unsigned int test1 = print<77>::result;
unsigned int test2 = print<123>::result;
在我的Dev C++里，會(huì)輸出
main.cpp: In instantiation of `print<77>':
main.cpp:7: instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'
main.cpp: In instantiation of `print<123>':
main.cpp:8: instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'
這個(gè)輸出雖然不是很好看，但也算是差強(qiáng)人意。
2.選擇
Andrei Alexanderescu在他的大作Modern C++ Design里面使用過(guò)一個(gè)類，可以根據(jù)bool的值選擇不同的類型。今天我們要寫的一個(gè)是根據(jù)bool的值選擇不同的整數(shù)。
template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template<unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if<false, value1, value2>
{
static const unsigned int result = value2;
};
這里用到了模板的特化，如果你對(duì)這個(gè)不熟悉，那么大致可以這樣理解：第一個(gè)template_if的定義告訴編譯器，“一般的” template_if，會(huì)選擇第一個(gè)值作為結(jié)果。第二個(gè)template_if告訴編譯器，如果第一個(gè)參數(shù)是false的話，我們就使用第二個(gè)值（第三個(gè)參數(shù)）作為結(jié)果。下面這段代碼演示了template_if的用法。
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template<unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if<false, value1, value2>
{
static const unsigned int result = value2;
};
template<unsigned int value>
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = template_if<value == 77 , print<value>::result , 0>::result;
};
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
如果你去編譯這段代碼的話，你會(huì)發(fā)覺77和123都被打印出來(lái)了，雖然錯(cuò)誤信息不一樣，但是這不是我們想要的結(jié)果。為什么呢？很遺憾，對(duì)C++編譯器來(lái)說(shuō)，template_if<true, 1, 100>和template<true, 1, 200>是兩個(gè)不同的類，雖然后一個(gè)參數(shù)的值我們并不關(guān)心，但是編譯器必須在template初始化的時(shí)候，給出所有的參數(shù)，這就導(dǎo)致它會(huì)去計(jì)算 print<value>::result，當(dāng)然，計(jì)算的結(jié)果就是報(bào)錯(cuò)。也就是說(shuō)，因?yàn)榫幾g器要計(jì)算這個(gè)值才導(dǎo)致了我們的print不可用，要解決這個(gè)問(wèn)題，有兩個(gè)方法：或者讓編譯器不計(jì)算這個(gè)值，或者讓編譯器在某些情況下可以計(jì)算出正確的值。
方法一可以讓編譯器不計(jì)算這個(gè)值，通過(guò)修改template_if，我們傳入兩個(gè)不同的類，而不是unsigned int。
首先修改print，加一個(gè)新的類dummy_print：
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct dummy_print
{
static const unsigned int result = value;
};
接著，加入一套對(duì)類型進(jìn)行選擇的模板：
template<bool condition, typename T1, typename T2>
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T1::result;
};
template<typename T1, typename T2>
struct template_if_type<false, T1, T2>
{
static const unsigned int result = T2::result;
};
這樣原先的程序就變成：
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct dummy_print
{
static const unsigned int result = value;
};
template<bool condition, typename T1, typename T2>
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T1::result;
};
template<typename T1, typename T2>
struct template_if_type<false, T1, T2>
{
static const unsigned int result = T2::result;
};
template<unsigned int value>
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = template_if_type<value == 77 ,
dummy_print<value> , print<value>>::result;
};
void main()
{
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
//unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
}
現(xiàn)在的“運(yùn)行結(jié)果”非常正確。
方法二可以讓編譯器在某些情況下計(jì)算出正確的值，我們加一套新的模板：
template<bool condition, unsigned int value>
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
template<unsigned int value>
struct print_if<false, value>
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
原先的程序變?yōu)椋?br>template<bool condition, unsigned int value>
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
template<unsigned int value>
struct print_if<false, value>
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = print_if<value == 77 , value>::result;
};
void main()
{
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
//unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
}
輸出也是正確的。
這兩種方案，我個(gè)人傾向于后者，因?yàn)槠鋵?shí)我們一定是要做一次判斷的，并且這次判斷一定會(huì)添加新的類，那么還是print_if的解決方案比較直觀。
3. 循環(huán)
首先必須明確的是，template不可能實(shí)現(xiàn)我們一般意義上的循環(huán)，但是它可以做一件和循環(huán)類似的事情：迭代。
如果有這樣一個(gè)循環(huán)：for( unsigned int i = 0 ; i < value ; ++i )
我們可以這樣寫：
template<unsigned int value>
struct loop
{
static const unsigned int result = loop<value - 1>::result + 1;
};
template<>
struct loop<0>
{
static const unsigned int result = 0;
};
這就是告訴編譯器，我們的迭代從0開始，到value結(jié)束，每個(gè)值是前者加1。
下面給出一個(gè)更廣泛的循環(huán)的實(shí)現(xiàn)：for( unsigned int i = begin ; i < end ; i = i + step )，假設(shè)0<=begin<end，并且step>0。（更復(fù)雜的情況，總可以通過(guò)template specialization分派完成）
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result - step;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>
struct loop<begin, end, step, false>
{
static const unsigned int result = begin;
};
這里的result的計(jì)算過(guò)程不重要，關(guān)鍵是為了驅(qū)動(dòng)編譯器進(jìn)一步的實(shí)例化模板。
下面是一個(gè)實(shí)例程序，用來(lái)打印13到29之間的整數(shù)，步長(zhǎng)為5。
template<bool condition, unsigned int value>
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct print_if<false, value>
{
static const unsigned int result = value;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result - step;
static const unsigned int print_result = print_if<true, result>::result;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>
struct loop<begin, end, step, false>
{
static const unsigned int result = begin;
};
static unsigned int result = loop<13,29,5>::result;
III.應(yīng)用
上面我已經(jīng)介紹了怎樣用TMP實(shí)現(xiàn)打印，選擇和循環(huán)了，現(xiàn)在我們來(lái)把這些投入運(yùn)用。下面我會(huì)用上面的所提供的機(jī)制，寫兩個(gè)程序：計(jì)算階乘和計(jì)算質(zhì)數(shù)。
1.計(jì)算階乘
我們先寫一個(gè)普通的C++程序來(lái)計(jì)算階乘：
#include <iostream>
int main()
{
unsigned int limit = 10;
unsigned int factorial = 1;
for( unsigned int i = 1 ; i <= limit ; ++ i )
factorial *= i;
std::cout<<factorial<<std::endl;
}
這個(gè)程序是一個(gè)一重循環(huán)，我們就用循環(huán)來(lái)做：
template<unsigned int value>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin + step, end, step>::result * begin;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>
struct loop<begin, end, step, false>
{
static const unsigned int result = begin;
};
static unsigned int result = print<loop<1, 10, 1>::result>::result;
因?yàn)檫@里不必要盤算是否輸出，所以就直接用print了。
2.計(jì)算質(zhì)數(shù)
同樣，我們先寫一個(gè)普通的程序來(lái)計(jì)算：
#include <iostream>
int main()
{
unsigned int limit = 30;
for( unsigned int i = 2 ; i <= limit ; ++i )
{
unsigned int j;
for( j = 2 ; j < i ; ++j )
if( i % j == 0 )
break;
if( i == j )
std::cout<<i<<std::endl;
}
}
這里用到了兩層循環(huán)，而且還是用了分支和打印。用我們提供的機(jī)制轉(zhuǎn)化成TMP形式如下：
template<bool condition, unsigned int value>
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct print_if<false, value>
{
static const unsigned int result = value;
};
template<bool condition, unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template<unsigned int value1, unsigned int value2>
struct template_if<false, value1, value2>
{
static const unsigned int result = value2;
};
// 這里增加一個(gè)i作為參數(shù)，因?yàn)樵趦?nèi)循環(huán)也需要知道外部的i的值
template<unsigned int i, unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >
struct inner_loop
{
static const unsigned int result = template_if<i % begin,
inner_loop< i, begin + step, end, step>::result,
begin>::result;
};
template<unsigned int i, unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>
struct inner_loop<i, begin, end, step, false>
{
static const unsigned int result = begin;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step, bool loop_continue = begin < end >
struct outer_loop
{
static const unsigned int result = outer_loop< begin + step, end, step>::result;
static const unsigned int is_prime = inner_loop<begin, 2, begin, 1>::result == begin;
static const unsigned int print_result = print_if<is_prime, begin>::result;
};
template<unsigned int begin, unsigned int end, unsigned int step>
struct outer_loop<begin, end, step, false>
{
static const unsigned int result = 0;
};
static unsigned int result = outer_loop<2, 30, 1>::result;
III.細(xì)節(jié)
另外有兩點(diǎn)要說(shuō)一下：
我們的template_if其實(shí)有一種更簡(jiǎn)單的寫法，就是?:表達(dá)式。
而我們的print_if和print其實(shí)可以用確省的模板參數(shù)來(lái)統(tǒng)一，唯一的區(qū)別是，要把value放在condition前面。
template<unsigned int value, bool condition = true>
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template<unsigned int value>
struct print<value,false>
{
static const unsigned int result = value;
};
這樣你可以用print<value>來(lái)打印一個(gè)數(shù)值，也可以用print<value, condition>來(lái)做判斷打印。
IIII.后記
很久以前看Inside OLE2的時(shí)候，記得作者說(shuō)過(guò)一句話：作者因?yàn)閷憰靼住Ｎ移鋵?shí)幾年前就寫過(guò)類似的程序，但是從來(lái)沒有對(duì)這樣程序的寫法進(jìn)行過(guò)總結(jié)以至于每一次都是在重新開始。而寫完這篇文章后，我覺得自己比過(guò)去明白很多。template meta programming還有很多不同的應(yīng)用，我以后有機(jī)會(huì)會(huì)繼續(xù)介紹給大家。
對(duì)于這篇文章有任何問(wèn)題，請(qǐng)發(fā)信到 polyrandom@hotmail.com 和我聯(lián)系，也請(qǐng)?jiān)L問(wèn) http://www.allaboutprogram.com/ 以獲得最近的更新。
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