(原創) Template Metaprogramming系列[1] : 使用遞迴/递归(Recursive) (C/C++) (.NET) (C++/CLI) (template) (TMP)

Abstract 
遞迴/递归(recursive)優點是代碼精簡，尤其若算法牽涉到前後相關，如n! = n * (n-1) * (n-2)...* 2 * 1，不用recursive很難寫，但recursive的缺點會大量消耗電腦內存，若使用TMP(Template Metaprogramming)，則可解決此缺點。

Introduction
一個典型的recursive，求n!，若用傳統recursive寫法如下

ISO C++

/**//* 
(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com

Filename    : recursive_factorial.cpp
Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
Description : Demo how to use recursive on run-time
Release     : 07/28/2007 1.0
*/
#include <iostream>

using namespace std;

int factorial(int n) {
  return (n) ? n * factorial(n-1) : 1;
}

int main() {
  cout << factorial(15) << endl;
}

執行結果

2004310016

recursive由於在run-time執行，所以非常耗內存，TMP(Template MetaProgramming)則是將recursive運算搬到compile-time。

ISO C++

/**//* 
(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com

Filename    : TMP_factorial.cpp
Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
Description : Demo how to use Template Metaprogramming on compile-time
Release     : 07/28/2007 1.0
*/
#include <iostream>

using namespace std;

template <unsigned n>
struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

template<>
struct Factorial<0> {
  enum { value = 1 };
};

int main() {
  cout << Factorial<15>::value << endl;
}

執行結果

2004310016

C++ template原本並不是為TMP而設計，但因為一些特性而造就了TMP：
1.ISO C++的template是compile-time泛型，所以能將運算搬到compile-time解決以節省內存。(.NET generics是run-time泛型，所以對於節省內存無幫助)。

2.ISO C++允許non-type template parameter，如template<int i>，所以可以如function般傳入一般參數，借以將運算搬到compile-time。(.NET generics不允許non-type template parameter)。

3.ISO C++允許template特化(template specialization)，recursive的終止條件可利用特化完成。(.NET generics不允許generics特化)。

13行

template <unsigned n>
struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

我們看到了template <unsigend n>，這允許non-type template parameter，所以可以利用template如一般function那樣傳入參數而非型別，如此才有可能在compile-time做運算。

15行使用了enum hack的方式定義value，大體上相當於

static const int value = n * Factorial<n-1>::value;

 不過TMP習慣都用enum hack方式撰寫。

18行

template<>
struct Factorial<0> {
  enum { value = 1 };
};

運用了template特化，定義recursive的終止條件。

在.NET平台是否可用TMP呢?.NET generics由於缺乏TMP所需的特性，所以C#、VB皆無法使用TMP，不過由於C++/CLI仍然支援template，所以C++/CLI是.NET平台唯一可以使用TMP的語言。

C++/CLI by enum hack
由於TMP慣用enum hack，所以繼續在C++/CLI使用enum hack。

/**//* 
(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com

Filename    : TMP_factorial_enum_hacks.cpp
Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
Description : Demo how to use Template Metaprogramming on compile-time by enum hack
Release     : 07/28/2007 1.0
*/
#include "stdafx.h"

using namespace System;

template <unsigned n>
struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

template<>
struct Factorial<0> {
  enum { value = 1 };
};

int main() {
  Console::WriteLine("{0}", (int)Factorial<15>::value);
}

執行結果

2004310016

13行

template <unsigned n>
struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

你一定會問，為什麼在C++/CLI不使用managed class呢?因為若改成

template <unsigned n>
ref struct Factorial {
  enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

會出現以下錯誤訊息

cannot define unnamed class, struct or union inside of managed type 'Factorial<n>'

也就是說managed class不能使用enum hack!!

在夢在天涯 的C++的匿名枚举 中提到，enum hack其實相當於static const int，所以我們試著改用static const int

C++/CLI by static const int

/**//* 
(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com

Filename    : TMP_factorial_static_const_int.cpp
Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
Description : Demo how to use Template Metaprogramming on compile-time
Release     : 07/28/2007 1.0
*/
#include "stdafx.h"

using namespace System;

template <unsigned n>
ref struct Factorial {
  static const int value = n * Factorial<n-1>::value;
};

template<>
ref struct Factorial<0> {
  static const int value = 1;
};

int main() {
  Console::WriteLine("{0}", Factorial<15>::value);
}

執行結果

2004310016

18行

template <unsigned n>
ref struct Factorial {
  static const int value = n * Factorial<n-1>::value;
};

如此就可以用managed class了。

Conclusion
TMP的優點：
1.可以有較小的exe。
  本例求n!，使用recursive寫法，exe檔為6656 bytes，若用TMP寫法，exe檔為6144 bytes。(VC8)

2.執行速度較快。
  因為TMP在compile-time已經解決了。

3.較少的內存要求。
  因為TMP在compile-time已經計算完畢，不需在run-time耗費大量內存計算。

TMP的缺點：
1.compile時間變長了。
  因為運算從run-time搬到compile-time了。

2.語法不直觀。
  又是一個paradigm shift，沒TMP概念的人，很難知道你在寫什麼。

3.工具支援還不夠。
  如debug支援，設立中斷點..等。

所以TMP的特性，頗適合嵌入式系統開發，因為嵌入式通常只有幾MB甚至幾KB的rom，且CPU和內存條件也遠比PC差，正好可發揮TMP所長。

Reference
夢在天涯 的C++的匿名枚举 
Scott Meyers, Effective C++ 3/e Item 48, Addison Wesley, 2005