C++中的模板元编程

模板元编程

简要介绍

模板： 是C++提供的一种泛型编程工具，可以让函数和类在编译时根据类型参数进行实例化。

模板元编程： 核心思想是将计算推迟到编译时，利用模板递归、特化和偏特化等机制，进行类型推导、编译期计算和代码生成。这样可以减少运行时开销。

基本技巧：

• 类型特化：根据不同类型提供不同的实现
• 递归模板：通过模板的递归实例化，在编译期进行计算
• std::integral_constant：用于封装常量值，以便在编译时作为类型传递

基本例子

计算阶乘： 通过模板递归，可以在编译期间计算出一个数的阶乘

#include <iostream>

// 定义一个递归模板
template <int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

// 特化阶乘终止条件
template <>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

int main() {
    std::cout << "Factorial of 5 is: " << Factorial<5>::value << std::endl;
    return 0;
}

编译时常量表达式： std::integral_constant是C++11引入的一个模板类，用于封装常量值，可以在编译时传递常量

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
void printType(T value) {
    if (std::is_integral<T>::value) {
        std::cout << "Integral type: " << value << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << "Non-integral type: " << value << std::endl;
    }
}

int main() {
    printType(42);
    printType(3.14);
    return 0;
}

类型选择： std::conditional是C++11引入的一个模板类，它根据条件选择两种类型中的一种

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
void printType(T value) {
    using Type = typename std::conditional<std::is_integral<T>::value, int, double>::type;
    Type result = static_cast<Type>(value);
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
}

int main() {
    printType(42);
    printType(3.14);
    return 0;
}

模板特化： 指的是对某个特定类型或特定类型组合提供模板的定制实现。

示例：

#include<iostream>
using namespace std;

template <typename T>
void func(T t) {
    cout << "Generic template: " << t << endl;
}

// 完全特化模板
template <>
void func<int>(int t) {
    cout << "Specialized template for int: " << t << endl;
}

int main() {
    func(10); // 使用特化模板
    func(3.14); // 使用通用模板
}

模板偏特化： 通常用于处理模板参数中的某些类型特征（比如说指针类型、数组类型等）

#include<iostrea>
using namespace std;

template <typename T>
void func(T t) {
    cout << "Generic template: " << t << endl;
}

// 偏特化
template <typename T>
void func(T* t) {
    cout << "Template specialized for pointer type: " << *t << endl;
}

int main() {
    int a = 10;
    int* p = &a;
    
    func(a); // 使用通用模板
    func(p); // 使用偏特化模板
}

函数重载与模板特化/偏特化的区别：

• 函数重载：指的是为同一个函数名提供多个不同参数列表的实现。编译器根据传入参数的类型来选择合适的重载版本。函数重载是基于函数参数的类型和数量来选择执行哪个函数，而不涉及模板概念
• 模板特化/偏特化：是针对模板的类型参数进行定制，根据传入的类型来选择对应的模板实例化。

其他

常用的模板元编程技巧：

• 类型列表(Type List)：一种用于存储多个类型的容器
• SFINAE(Substitution Failure Is Not An Error)：一种技巧，通过使模板在不适用时失败，从而为某些类型提供特化版本

元编程工具：

• std::enable_if：条件启用模板功能的一种方法

• std::is_same：判断两个类型是否相同

• std::tuple：一个可以容纳多个不同类型的容器，类似于vector，但每个元素可以是不同的类型

• std::index_sequence：生成从0到N的整数序列，通常用于编写递归和展开参数包