C++ 的MetaProgramming 入门篇

C++ 的 MetaProgramming

废话就不说了, 按照C的传统惯例,介绍programming的最好方式就是show代码, 第一个例子就是Hello,world, 这篇文章也不例外

在任何一个cpp文件中,输入

struct hello_world; //forward declaration
struct A : hello_world
{
};

然后编译..,注意我没有说"编译运行",而仅仅说的是"编译", 如果不意外的话,在你编译器的输出窗口会出现
base class hello_world undefined
或者
base class `hello_world' has incomplete type

等类似的语句, 至少在你的屏幕上打印出了 "hello_world" 字样,对吧? 对了,这就是这个例子的目的, 我不也打印出来的吗?

上面这个简陋的例子阐述了一个重要的现象, "编译时"而不是运行时, 这就是meta programming的世界, 一个处于编译期间, 而不是运行期间的世界.

运行时我们能作的事情很多在编译时我们不能作, 例如我们不能调用函数, 我们不能创建对象, 我们也不能设置断点, 一切都交给你的C++编译器.

接下来, 首先回顾一下一些C++的基本模板知识. 
由于C++的编译器符合ISO 标准的程度不一, 我使用的是VC++ 6 和 gcc version 3.2.3 (mingw special 20030504-1)
下面的例子我在这两个编译器中都测试过.

C++模板的最经常的认识就是STL中的容器, 例如
vector 就是一个可以装int的动态数组, vector 就是一个可以装sharp对象指针的数组.

然后我们还需要一点点模板特化的知识.
例如

template struct Foo {};

这是一个通用模板, 必配任何类型, 如果我们需要对int进行特别处理, 那么

template<> struct Foo  {}; 

这样就实现了对 int 类型的完全特化 . VC6 只支持完全特化, 不支持偏特化, 或者部分特化.
不过还是稍微介绍一下:
什么是遍特化了? 还就上面这个例子而言, 如果我们想对所有的指针进行特化, 那么应该是
template struct Foo {}

那么什么又是部分特化了, 看看这个:
template struct bar {};

template struct bar  {};

后面这个就是对U模板参数的部分特化,使得 U为 int的时候 使用这个版本.

这篇文章由于针对VC6, 因此你不会遇到偏特化和部分特化的情况.

hello,world的例子以后, 我们准备干点有意思的事情. 例如求两数之和. 首先看看在运行时的函数我们应该如何实现:

定义:
int sum(int x, int y) { return x+y; }

调用:
int j =  sum(3, 4)

那么如何用meta programming的方式实现了?

meta programming 由于处于编译器, 因此给它的参数必须是编译时就可以确定的, 在当前C++中允许的为,integer 和 type.

就上面这个例子, 对于模板的调用应该是:
int j = sum_<3,4>::value;

3,4 都为整形常量, 编译时确定, 然后返回值如何取得? 记住在编译时是无法进行真正的函数调用的,因此我们只有通过定义在模板类中的一个常量
来获得返回结果. 最简单的方法就是在一个 struct定义一个匿名的enum .

sum的定义如下:
template
struct sum_
{
  enum { value = x + y };
};

然后你可以编译后"运行"检查检查看看运行结果

#include

using namespace std;

template
struct sum_

{
    
    enum { value = x + y };

};

int main()

{
    
   cout << sum_<3, 4>::value << endl;
    
   return 0;

}

上面之所以使用struct sum_而不是class sum_是因为struct的默认作用范围上public, 可以省略几个键击.

这个例子通用展示了一个重要的观点, 对应通常可以在运行时调用的函数
int foo(int a, int b) 
其对应的meta 实现为:
foo::value 
也就是我们的foo现在为一个struct name, 参数通过< > 中的模板投递, 结果通过 ::value 获得其中定义的一个匿名enum值.

那么如何计算 3,4,5的和? 
你可能会想如下:
 sum_<3,4,5>::value

但是c++不支持一个模板类使用不同的参数参数存在, 换一个方式, 
你如何在 int sum(int a, int b) 存在的情况下获得3个数的和?
我们可以这样：
sum( 3, sum(4, 5)) 
有lisp 背景的可能发现这很符合他们的思考方式, 至少以我浮浅的emacs lisp知识, 不使用中间变量. 同样,meta中你也可以这样使用:

sum_<   //开始参数
sum_< 3 //第一个参数为3
sum_< 3, sum_<   //第二个参数是另外一个表达式的结果
sum_< 3, sum_<4, //这个表达式的第一个参数为４
sum_< 3, sum_<4, 5> //这个表达式的第二个参数为５
sum_< 3, sum_<4, 5>::value //通过::value获得这个表达式的结果
sum_< 3, sum_<4, 5>::value >::value //然后获得整个表达式的结果

ok, 就这么多, 看出来没有, 再解释一次, 将上面我们的
  cout << sum_<3, 4>::value << endl;
   

中４的位置用一个sum_ 替换就得到了我们需要的三个数之和.

  cout << sum_<3, ?? >::value << endl;
    
 ===> 
   ?? =  sum_<4, 5>::value

 ===> then
  cout << sum_<3, sum_<4, 5>::value >::value << endl;
   

如果我需要算 2, 3, 4, 5之和呢? 
同样简单, 你将上面的3, 4 ,5 中的任何一个常量替换成对sum_ 进行一个调用就可以了.
例如:

out << sum_< ?? , sum_<4, 5>::value >::value << endl;
   

?? =  sum_< 2, 3 >::value

合并后为

cout << sum_< sum_<2, 3>::value , sum_<4, 5>::value >::value << endl;
运行的结果为 14.

这就是meta中最简单的一个例子, 顺序调用, 如果你看明白了同时觉得有点意思的话, 下来我们讲讲
循环语句, 通常我们写程序都避免递归, 因为容易造成堆栈和大脑溢出,但是在 meta 中必须使用递归的方式. 

下面看看一个计算"阶乘"的例子, 其实这个才真正是meta 中的hello,world.

先看后面, 我们调用的方式:

cout << fac<5>::value ;  // 结果应该是 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120;

通过前面的知识, 你知道fac是一个template struct的名字, 有一个模板参数int, value是其中的一个匿名枚举变量
于是你可以毫不犹豫的写下:

template
struct fac
{
  enum { value = ??? };
};

但是在value的地方你卡住了, 如果根据 i 得到 value?

让我们将大脑从"编译时世界"切换到"运行时的世界", 你如何写一个通常的递归函数来计算阶乘?

int fac(int n)
{
  if( n == 1)
    return 1;
  return n * fac(n-1);
}

注意 n == 1是一个递归退出条件,先不考虑n为1时的递归退出, 
其他情况下是将n 乘以 fac (n - 1). 有了前面的sum_ 知识, 你应该可以推出 value = ???
中的??? 应该是
n *       //n* 
fac       //调用下一个fac
fac  //参数为n-1
fac::value //获得结果

因此fac "函数"的模板实现就是

template
struct fac
{
  enum { value = i * fac::value };
};

然后我们再考虑递归退出条件, 为1时value应该为1, 拿起C++中的特化模板武器来
template<> 
struct fac<1>      //参数为1时的特化
{
  enum { value = 1 };
};

这样就将参数为 1 时的返回值设置为1, 结束递归.

这样,当你输入
cout << fac<5>::value << endl;
时,编译器会实例化
template<> 
struct fac<5>
{
  enum { value = 5 * fac<4>::value };
};

由于fac<5> 需要 fac<4> , 因此然后实例化 fac<4>, 同样的原因, fac<3> , fac<2>, fac<1>

到fac<1> , 编译器发现了一个特化版本fac<1> 匹配, 在fac<1>中的value已经是一个常量, 不依赖其他的fac实例, 递归退出, 最后
我们得到最终结果120 .

easy, 对不?

然后再介绍 if语句. 
还是上面的这个fac例子, 负数的阶乘是没有意义的,先不考虑数学问题,假设我们希望在这个情况下返回-1,如何实现?

如果我们输入fac<-2>::value , 那么编译器会尝试实例化fac<-3>, fac<-4>, ......
你发现这是一个无限递归条件, 在运行时会造成你堆栈溢出, 由于我们在"编译时世界", 取决于你编译器, 最终总有结束的时候.

例如VC6 报错: fatal error C1202: recursive type or function dependency context too complex
G++报错     : template instantiation depth exceeds maximum of 500

因此我们需要一个if判断语句, 发现当模板参数 < 1的时候返回 -1.

按照测试先行的原则, 我们可以预计
fac<-1>::value == -1  是成立的.
现在的问题是如何实现? 下次再说吧! 也给个机会折磨折磨你的大脑. 记住, 模板不仅仅可以通过enum返回整数, 还可以通过嵌套 typedef返回一个类型.