C++模版编程实现Haskell的函数模式匹配特性

Posted 2021-04-25 AlohaWorld

大神 Bartosz Milewski 在2009年写了一篇文章《What Does Haskell Have to Do with C++?》，使用C++实现Haskell函数式编程语言的一些特性。【传送门在文末】

 

其中有这样一段例子：

// code 1

1.template<int n>class fact {

2.public:

3.     staticconstint value = n * fact<n -1>::value;

4.};

5.

6.template<>class fact<0>{// specialization for n = 0

7.public:

8.     staticconstint value =1;

9.};

注：原文中使用的是struct关键字，这里改为class并加上了public

 

我猜，你没看懂。没关系，我们先跳过上面这一段有着【令人恐怖的语法】的C++模版代码。

 

上面的例子想干嘛呢？其实它只是想计算n的阶乘。

 

如果你在C语言里面学过递归，应该知道下面这段计算阶乘的递归函数

// code 2

int fact(int n){

     if(0== n )

         return1;  //0阶问题答案。0! 等于1

     else

         return( n * fact( n -1)); //问题降阶：n阶->n-1阶

}

 

它的效果就等于下面的代码

// code 3

int fact2(int n){ // 用 for 循环计算阶乘

    int p =1;

    for(int i=n; i >=1; i--) 

        p *= i;

    return p;

}

 

那么，第一段代码（code1）与第二段代码（code2）的区别在哪里呢？

 

区别在于，code1是在编译时（由编译器）计算的，code2是在运行时（就是代码运行的时候）计算的。

 

现在来解释一下code1 （部分根据Bartosz Milewski文中的说法）

// code 1

/* 第1行代码声明了一个类模版 fact。

   这个模版接受一个“非类型参数”n，

   n是整数。

  */

1.template<int n>class fact {

2.public:

/* 第3行代码声明了一个静态整型常量

   成员 value。而 value 的值是使用

   递归模版表示的

*/

3.     staticconstint value = n * fact<n -1>::value;

4.};

5.

/* 第6行代码是“特化”类模版fact，

   也就是显式地给出某种类型参数的

   类模板的一个实例的代码，而非由

   编译器生成。

   在这里，是给出了参数n为0时模板

  fact的代码。这样，编译器不会再

   根据类模版fact生成n=0时的代码

  

   关于模版特化，详见文末链接

*/

6.template<>class fact<0>{// specialization for n = 0

7.public:

8.    static const int value = 1;

9. };

/* 根据C++规范，模版特化的代码必须

   放到模版声明之后。

  

   因此上面的代码看上去好像先处理了

   由n阶到n-1阶的降阶问题，然后再给

   出了0阶的解答

  

   这可不像code2。code2中有if/else，

   因此可以把降阶代码与0阶解答代码调

   换先后次序（当然if条件得改）。

*/

那么这个用模版计算阶乘的代码（类？）该怎么用呢？如下： 

cout <<"Factorial of 0 = "<< fact<0>::value << endl;

其中，C++编译器会为“fact<0>::value”这个调用匹配最合适的模版代码，也就是code1中的第6-9行代码。

如果用非零参数调用呢？

cout <<"Factorial of 8 = "<< fact<8>::value << endl;

其中，C++编译器会为“fact<8>::value”这个调用匹配code1中的第1-4行代码。

 

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前面blahblhaaaaaaaaaaaah讲了一大堆，其实都不是正经事儿。

正经是下面的Haskell代码：

//code 4

1. fact 0=1

2. fact n = n * fact (n -1)

 

上面两行代码定义了函数fact。fact是函数名，fact的后面、等号的前面是函数的参数。等号后面是函数体，函数体的计算结果就是fact函数的返回值。

 

当程序员调用【fact 8】的时候（参数是8，因为Haskell函数调用一般不像C++那样给参数加括号），Haskell会将之匹配到上面代码的第2行。这种参数匹配，是Haskell特有的函数声明与调用方式。

 

所以前面的code1中C++模版代码，就是在模仿 code4 中的Haskell代码。

 

下面给出一个完整的Haskell程序

moduleFactwhere
importSystem.IO

fact::Integer->Integer
fact0=1
fact n = n * fact (n-1)

main::IO()
main=do
  putStrLn $"8!  = "++ show (fact 8)
  putStrLn $"88! = "++ show (fact 88)

上面的代码输出结果是：

8!  = 40320

88! =185482642257398439114796845645546284380220968949399346684421580986889562184028199319100141244804501828416633516851200000000000000000000 

Haskell对C++说：我能算88!，你行吗？

C++说：你欺负人！

 

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Bartosz Milewski 文章《What Does Haskell Have to Do with C++?》的传送门：

短网址：http://t.cn/Rg6yxeW

原网址：https://bartoszmilewski.com/2009/10/21/what-does-haskell-have-to-do-with-c/

 

模版特化：

在百度百科中搜索“模版特化”

链接： https://baike.baidu.com/item/%E6%A8%A1%E6%9D%BF%E7%89%B9%E5%8C%96