初识c++模板元编程

模板元编程（Template metaprogramming，简称TMP）是编译器内执行的程序，编译器读入template，编译输出的结果再与其他源码一起经过普通编译过程生成目标文件。通俗来说，普通运行程序是编译器生成的机器码，由处理器解释执行得到结果，TMP则是编译器实例化template过程中得到结果。TMP已被证明是图灵完备的机器，不过模板实例化通常需要消耗巨大的编译器资源，而且难以追踪错误，没有合适的调试器，所以在实际开发中很少使用。

TMP有两个重要的作用：

1. 将工作从运行期转移到编译期，一些在运行期才能发现的错误在编译时就找出来了。
2. 产生较小的可执行文件，较短的运行时间，较少的内存需求。当然代价就是增加了编译时间。

下面让我们来看一个利用TMP计算3的幂的例子

template<int N>
class Pow3 {
 public:
  enum {result=3*Pow3<N-1>::result};
};

template<>
class Pow3<0> {
 public:
  enum {result=1};
};

int main() {
  std::cout<<"Pow3<7> = "<<Pow3<7>::result<<std::endl; 
}

 

Pow<7>的实例化导致Pow3<6>的实例化，Pow3<6>又出发Pow3<5>的实例化，递归直至Pow3<0>结束，Pow<7>::result直接被常量值替换。

一个TMP程序可以包含以下几部分：

• 状态变量：即模板参数
• 迭代构造：TMP没有循环等构件，全部用递归实现，另一方面递归的实例化也是降低编译器效率的主要原因。
• 路径选择：通过使用条件表达式或者特化。
• 整形算法（即枚举）

c++中，在类内部声明常量值只有枚举和静态常量初始化两种方式。上面的例子中可以将枚举改成静态常量，

template<int N>
class Pow3 {
 public:
  static int const result=3*Pow3<N-1>::result;
};

template<>
class Pow3<0> {
 public:
  static int const result=1;
};

 

不过静态常量是左值，如果将结果作为引用参数传递给一个函数，

void foo(int const&);

foo(Pow3<7>::result);

编译器必须获取 Pow3<7>::result的地址，这会强制编译器实例化静态成员的定义，并分配内存，这就跳出了编译期范围。

而枚举不是左值，没有这个约束，通过引用传递的时候跟使用常量值形式是一样的，所以一般都用枚举类型。

 

Reference：

《c++ templates: the complete guide》

《effective c++》