【C++模板元编程】：王桂林老师课件第三版，深入探究编程的无限可能

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摘要
关键字
1. C++模板元编程简介
2. 模板基础与类型萃取

2.1 模板的类型参数

2.1.1 函数模板与类模板
2.1.2 类型萃取与标准库萃取

2.2 非类型模板参数

2.2.1 常量与引用模板参数
2.2.2 模板参数的推导与限制

2.3 模板特化与偏特化

2.3.1 完全特化与偏特化概念
2.3.2 特化的条件与技巧

3. 编译时计算与编译期优化

3.1 编译时计算机制

3.1.1 constexpr的使用与限制

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摘要
C++模板元编程是一种利用编译时计算来生成代码的高级技术，它使得程序设计更为灵活和高效。本文全面介绍了模板元编程的基本概念、类型萃取、编译时计算、编译期优化以及其在高级应用和实战案例中的具体实现。文章详细阐述了模板的类型参数、非类型模板参数、模板特化与偏特化机制，探讨了编译时计算的原理及其在算法实现和性能优化中的作用。此外，文中还介绍了C++11及其后续版本中引入的新特性，展示了模板元编程在实际项目中的应用，如类型安全的序列化框架和编译时决策系统，旨在帮助开发者深入理解和应用模板元编程技术。
关键字
C++模板元编程；类型萃取；编译时计算；编译期优化；模板特化；实战案例分析
参考资源链接：王桂林C++教程第三版：2017更新，深入解析C++11
1. C++模板元编程简介
C++模板元编程是一种在编译时期执行算法、数据结构以及迭代逻辑的编程范式。它允许开发者编写与数据类型无关的代码，从而实现更高级别的抽象和代码复用。模板元编程的核心在于利用编译时计算来生成性能优越的静态代码，这通常用于优化编译时计算密集型任务。
#include <iostream>// 函数模板示例template <typename T>T max(T a, T b) { return a > b ? a : b;}int main() { std::cout << "Max of 1 and 2 is " << max(1, 2) << std::endl; std::cout << "Max of 1.2 and 2.2 is " << max(1.2, 2.2) << std::endl; return 0;}登录后复制
上述代码展示了如何使用模板来编写一个通用的比较函数。在C++中，模板允许我们定义可以应用于多种数据类型的代码结构，从而在编译时根据传入的类型参数生成具体的函数实例。通过学习模板元编程，你可以深入理解C++的强大功能，提高编程效率和程序性能。
2. 模板基础与类型萃取
模板编程是C++中强大的特性之一，它允许开发者编写与数据类型无关的代码。这种编程方式使得程序能够更加通用，同时也能在编译时期进行优化。类型萃取是模板编程中的一个重要组成部分，它允许程序在编译时期决定类型，并以此来进行进一步的优化或操作。本章节我们将深入探讨模板的基础知识，以及如何使用类型萃取来增强程序的能力。
2.1 模板的类型参数
2.1.1 函数模板与类模板
在C++中，函数模板和类模板都是模板编程的基础元素。它们允许我们在定义时使用一个或多个未确定的类型参数，直到模板被实例化时，这些类型参数才会被具体的数据类型所替代。
函数模板 提供了一种在编译时对多种数据类型复用相同算法的方法。它通过在函数名前使用关键字 template 来定义，后跟尖括号内的类型参数列表。
template <typename T>T max(T a, T b) { return a > b ? a : b;}登录后复制
在这个例子中，max 函数模板可以接受任何类型的数据，只要这个类型支持比较操作符 >。
类模板 则允许创建类的蓝图，可以实例化为具体的数据类型。与函数模板类似，类模板也是在类定义前使用 template 关键字定义。
template <typename T>class Stack {private: std::vector<T> elements;public: void push(T const& element) { elements.push_back(element); } void pop() { if (!elements.empty()) { elements.pop_back(); } } T const& top() const { if (empty()) { throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack"); } return elements.back(); } bool empty() const { return elements.empty(); }};登录后复制
类模板 Stack 实例化后能够创建存储不同数据类型的栈结构。
2.1.2 类型萃取与标准库萃取
类型萃取是模板元编程中用于提取和使用类型信息的手段。它帮助开发者根据传入的类型参数来决定最合适的实现方式。最简单的类型萃取可以通过 typedef 来实现：
template <typename T>struct remove_reference { typedef T type;};template <typename T>struct remove_reference<T&> { typedef T type;};template <typename T>struct remove_reference<T&&> { typedef T type;};int main() { int a = 10; remove_reference<decltype(a)>::type b = 20; remove_reference<decltype(a)>::type& c = b; return 0;}登录后复制
上面的 remove_reference 就是一个类型萃取的例子，它能够移除引用，得到原始的类型。
C++标准库中提供了很多类型萃取工具，例如 std::remove_const、std::remove_pointer 等。这些工具通过标准库中的萃取类来实现，可以在编译时提取和转换类型信息。
2.2 非类型模板参数
非类型模板参数允许模板在实例化时使用编译时常量。这为模板提供了更多的灵活性，允许创建更为优化的代码。
2.2.1 常量与引用模板参数
常量模板参数 是指使用编译时常量作为模板参数，这些常量可以是整数、指针或引用等。
template <int N>class StaticArray {private: int data[N];public: void set(int index, int value) { if (index >= 0 && index < N) { data[index] = value; } }};登录后复制
在这个例子中，StaticArray 类模板使用了整数常量 N 作为非类型模板参数，用来定义数组的大小。
引用模板参数 则提供了对变量或对象的直接引用。
template <typename T, T& Ref>struct Reference { void set_value(T value) { Ref = value; }};int ref_var = 10;Reference<int, ref_var> ref_obj;ref_obj.set_value(20);登录后复制
这里，Reference 类模板使用了引用作为模板参数，因此对模板实例 ref_obj 的操作会直接影响到 ref_var。
2.2.2 模板参数的推导与限制
模板参数的推导允许编译器在模板使用时自动确定参数的类型。当函数模板被调用时，编译器可以使用实参的类型来推断出模板参数的类型。
template <typename T>void f(T const& param) { // ...}int main() { int a = 10; f(a); // 编译器推导出T为int}登录后复制
在上面的示例中，T 的类型由编译器自动推导。然而，这种自动推导有一定的限制。例如，模板参数不能是函数类型或数组类型。
template <typename T>void f2(T param); // 错误：T不能是函数类型void g() {}void h() {}f2(g); // 编译错误：无法推导T为函数类型template <typename T>void f3(T(&param)[4]); // 错误：T不能是数组类型int arr[4];f3(arr); // 编译错误：无法推导T为数组类型登录后复制
2.3 模板特化与偏特化
模板特化允许开发者为特定的类型或一组类型提供定制化的模板实现。通过这种方式，可以为特定数据类型优化算法或改变模板的行为。
2.3.1 完全特化与偏特化概念
完全特化 是指为模板提供一个所有模板参数都被明确指定的版本。
template <typename T>struct is_prime { static const bool value = false;};template <>struct is_prime<int> { // 完全特化版本 static const bool value = true; // 特化int类型为true};登录后复制
在这个例子中，is_prime 结构体通过完全特化为 int 类型提供了一个特定的实现。
偏特化 允许模板为一组类型提供定制化实现，但不是所有模板参数都被指定。
template <typename T, typename U>struct are_same { static const bool value = false;};template <typename T>struct are_same<T, T> { // 偏特化版本 static const bool value = true;};登录后复制
这里，are_same 通过偏特化检查两个模板参数是否是相同类型。
2.3.2 特化的条件与技巧
当模板特化时，需要遵循一定的规则和约束。特化通常是在模板无法满足特定需求或者需要优化的场景下使用。例如，标准库中 std::vector<bool> 就是一种特化的情况，因为 bool 类型不满足 std::vector 的原始设计要求，需要进行特别处理。
在特化模板时，必须保证特化的接口与原始模板保持一致，否则会导致编译错误。
template <typename T>void print(T const& param) { // 原始模板 std::cout << param << std::endl;}template <typename T>void print(std::vector<T> const& param) { // 错误的特化：改变了函数签名 for (auto const& p : param) { std::cout << p << ' '; } std::cout << std::endl;}登录后复制
上述代码中，特化尝试修改了函数签名，这是不允许的。
另一个技巧是在特化中为特定类型添加一些定制功能。
template <typename T>T max(T a, T b) { return a > b ? a : b;}template <typename T>T max(T a, T b, T c) { // 为三个参数的情况特化函数 return max(max(a, b), c);}登录后复制
在这个例子中，通过特化增加了处理三个参数时的版本，这使得模板可以灵活地适用于不同数量参数的情况。
通过本章节的介绍，我们了解了模板编程在C++中的基本概念和应用。在后续的章节中，我们将继续深入探讨模板编程的高级技巧和优化技术。
3. 编译时计算与编译期优化
3.1 编译时计算机制
编译时计算是模板元编程中最具特色的部分之一，它允许程序在编译阶段就完成复杂计算，减少了运行时的计算负担。这种机制主要依赖于C++中的constexpr关键字，这使得我们可以在编译时期就确定表达式的值。
3.1.1 constexpr的使用与限制
constexpr关键字用于定义编译时常量，它保证了变量或函数可以在编译时求值。一个constexpr变量必须在定义时初始化，且初始化表达式必须是一个字面量表达式。对于constexpr函数，其函数体内不能包含复杂的逻辑，如循环或异常处理，且必须确保其返回值在所有执行路径上都是一个常量。
constexpr int add(int a, int b) { return a + b;}int main() { constexpr int result = add(1, 2); // result 登录后复制