泛型编程（3）

石全贵

元编程是操作程序的程序。
编写元程序的语言称之为元语言，被操纵的语言称之为目标语言。根据元语言和目标语言是否相同，我们可以将元编程分为两类：


当元语言即目标语言本身时，元编程是目标语言所支持的高级特性，是在编译期或运行期生成或改变代码的一种编程形式，是狭义上的元编程；当元语言并非目标语言时，元编程侧重代码内容的生成，并不关注目标语言代码的编译和执行，也可以称之为产生式编程（Generative Programming）或者代码生成技术（Code Generation）。

因此，元编程又被成为两级编程(two-level programming)，生成式编程(generative programming)或模板元编程(template metaprogramming)。

作为二级语言的c++

令人惊异的是，模板与其他一系列C++特征一起构成了一种图灵完备的、C++的编译时子语言。这就使C++成为一种二级语言 : C++程序可能同时包含静态代码(它在编译时被求值)和动态代码(编译后,在运行时执行), 如前面所强调的,这个静态子语言是图灵完备的,就是说, 它同时包含一个条件和一个循环结构, 并且因此可以被用来编码任意的算法，这些编码由编译器在编译时而被解释。
主要的编译时条件结构是模板特化（名为模板特化实为模式匹配）:  编译器必须在几个选项中, 选择匹配的模板。编译时循环结构就是模板递归,  例如,类模板的一个成员被用于它自己的定义中。而且，C++对于一个程序的哪一部分将在编译时求值，和哪一个在运行时执行都有精确的规则。例如, 用来初始化C++的某些的静态部分的一个整型表达式, 将在编译时被求值。这些静态部分例如整型模板参数或者--个枚举类型的一个成员。这些要素使C++成为一种二级语言。
c++包含了一种精巧的模板机制。借助模板c++可以在编译时进行数值计算，类型操纵，代码生成，计算出运行时所需要的数据。
目前 C++ 将模板分成了 4 类：类模板(class template)，函数模板(function template)，别名模板(alias template)和变量模板(variable template)。前两者能产生新的类型，属于类型构造器(type constructor)；而后两者仅是语言提供的简化记法，属于语法糖(syntactic sugar)。
来看第一个例子（cpp20起步），我们来计算一个自然数的阶乘的静态代码（编译期执行）
consteval size_t factoral(int n) {
  return (n == 0) ? 1 : n * factoral(n - 1);
}

int main() {
  std::cout << "factoral(7): " << factoral(7) << '\n';
}
consteval 说明符声明函数或函数模板为立即函数，即该函数的每次潜在求值的调用（即不求值语境外的调用）必须（直接或间接）产生编译时常量表达式。
有了上述保证，编译器在处理对consteval函数的调用时，将保证在编译期计算出函数返回值，从而在生成的代码中不包含任何对consteval函数的调用。我们不再需要通过模版特化和递归来做编译期计算了，我们直接通过新的关键字consteval来实现编译期计算，它修饰一个函数，表明这个函数是在编译期计算的，这个函数和一个普通函数看起来几乎没有分别，唯一的差别就是多了一个consteval，
如果是版本稍低一下的c++又如何那？
template<int N>
struct factoral
{
        constexpr static int value = N * factoral<N - 1>::value;
};

template<>
struct factoral<0>
{
        constexpr static int value = 1;
};

int main()
{
        std::cout << factoral<7>::value <<'\n';
        std::cout << factoral<4>::value << '\n';
        std::cout << factoral<5>::value << '\n';
}

// 最开始cpp只能用枚举进行元编程
template <int n>
struct factoral
{
  enum {
    value = factoral<n - 1>::value * n
  };
};

// 终止条件
template <>
struct factoral<0>
{
  enum {
    value = 1
  };
};

int main() {
  std::cout << "factoral(7): " << factoral<7>::RET << '\n';
}
编译期实例化 factoral<0>...factoral<7>最好它的值是5040，
但是有个问题
std::cout << factoral<7>::value <<'\n';        
std::cout << factoral<4>::value <<'\n';        
std::cout << factoral<5>::value <<'\n';每次实例化的生成了重复的代码，读者可以思考一下在已经实例化了factoral<7>，以后计算factoral<4>是否可以复用。
我们可以把factoral<>看作一个函数，它在编译时被求值。这个特殊的函数把一个数值作为参数，并且在它的value成员里返回另一个数值。这样的函数的参数和返回值也可以是类型。
你可能注意到了，这个函数和一个if语句相对应：它有一个条件参数，一个“then"参数Then，和一个”else"参数Else， 就是在value里面返回Then，如果condition是false，它就在value中返回。它是在模板特化中编码的.
请注意，IF<>使用了部分模板特化，我们只需要对condition==false 条件进行特化，而Then和Else仍然在模板特化中保证变化，嗯嗯，你应该感觉出这个东西像什么了。
template <bool condition, class Then, class Else>
struct IF
{
   using RET = Then;
};

template <class Then, class Else>
struct IF<false, Then, Else>
{
   using RET = Else;
};

int main() {
  IF<(2+2>4), short, int>::RET i;
  std::cout << sizeof(i) << '\n';
}
如你所见，静态c++代码和动态c++代码俨然不同，编写静态c++代码和使用一种函数式编程类似，
下面总结了c++在静态层次上可用的编程机制：
把类模板当作函数
类型和值作为数据
符号名代替变量
常量初始化或using/typedef语言代替赋值
模板递归代替循环
条件操作符或模板特化作为条件构造
这些内容下一章再讲。

鼎爵汽车

学姐总结的好啊[赞同]

爱国者炫影

模板元编程是元编程的方式之一，利用c++的模板，两者不是相等的关系，用宏其实也可以实现简单的元编程。