初识C++模板元编程（Template Mega Programming）

Posted 2020-07-26 Harley_Quinn

前言：毕设时在开源库上做的程序，但是源码看得很晕（当时导师告诉我这是模板元编程，可以不用太在乎），最近自己造轮子时想学习STL的源码，但也是一样的感觉，大致了解他这么做要干什么，但是不知道里面的机制。于是开始学习《C++模板元编程》，看完第二章对一些东西豁然开朗。

PS：该书也有点老了，C++11标准还没出来，主要用的Boost库。

Traits（特征）

说正题，在STL中经常可以见到后缀为traits的名字，比如经常用到的std::string，本质是类模板basic_string的第一个参数charT为char的实例化。相应的，用来表示宽字节的字符串模板类wstring，charT为wchar_t。

template < class charT,
           class traits = char_traits<charT>,    // basic_string::traits_type
           class Alloc = allocator<charT>        // basic_string::allocator_type
           > class basic_string;
typedef basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> >
 string;

 根据模板声明，3个模板参数，charT表示存放字符类型（Char Type）；Alloc则是allocator<T>的实例化，通常的new是一次性分配完内存再在内存上构造T类型的元素，allocator<T>则分离了这两个过程，可以先分配一段连续的内存空间，相当于内存池，再直接在上面构造T类型元素，不需要使用时销毁元素即可，内存空间并未释放，可以重新在上面构造新的元素。这样就省去了每次都重新分配空间再构造元素的过程。有点类似对C的malloc/free的封装。（没仔细研究，不去祥述）

第2模板参数traits则是char_traits模板参数为charT的实例化

template<class _Elem>
    struct char_traits
        : public _Char_traits<_Elem, long>
    {    // properties of a string or stream unknown element
    };

可以发现char_traits继承于由_Char_traits的实例化的模板类，可以提供扩展。这里没有扩展，基本可以将char_traits等价模板类于_Char_traits<_Elem, long>

template<class _Elem,
    class _Int_type>
    struct _Char_traits
    {    // properties of a string or stream element
    typedef _Elem char_type;
    typedef _Int_type int_type;
    typedef streampos pos_type;
    typedef streamoff off_type;
    typedef _Mbstatet state_type;
    // ...
    }

省略了后面的静态方法，可以看出在此之前有5个typedef。在C++中，类的内部可以用typedef定义类型别名，可以像使用静态成员一样使用它。
也就是说可以用模板类_Char_traits<_Elem, _Int_type>::char_type来得到类型名。结合之前所说，char_traits继承自该模板类，因此可以用char_traits::char_type来得到类型名。可以发现，对模板类进行继承有点像对模板类进行实例化获取类型别名（比如typedef std::map<int, std::string> MapIntStr;），大大减轻了键盘输入的压力。

回过头来，std::basic_string的第2个模板参数traits是由字符类型charT作为模板参数（_Elem）实例化的char_traits

也就是说在std::basic_string中，通过模板参数traits可以直接获得类型。  比如traits::char_type等价于charT。

问题来了：为什么要特意给模板参数再套到一个模板上？

直接借用书上对迭代器traits的例子了，跟char_traits其实是类似的。

当我们需要对迭代器进行交换时（功能是交换迭代器指向的值）

    template <class FwIt1, class FwIt2>
    void iter_swap(FwIt1 i1, FwIt2 i2)
    {
        typename FwIt1::value_type tmp = *i1;
        *i1 = *i2;
        *i2 = tmp;
    }

 这个实现有个问题，FwIt必须就像char_traits一样，内部有句typedef把某种类型取个别名叫value_type。如果是自己实现新的迭代器，可以一直按照这个标准在每个类模板里加上对应的typedef。

问题在于，且不谈其他的类模板是否实现了typedef，就指针而言在iter_swap中是不兼容的。因此需要加个像适配器一样的东西，让指针也能接入到iter_swap中。

现在我们编写一个iterator_traits作为适配器。

    template <class Iter>
    struct iterator_traits
    {
        typedef typename Iter::value_type value_type;
    };

类中只有一行代码进行类型别名定义，这样iterator_traits<Iter>::value_type就等价于Iter::value_type，用类型实例化某个类模板来取代类型自己。

C++模板有个优秀的特性是特例化（specialization），当模板参数有着某种特别类型时，选择实例化“特例类型”而不是通用模板。比如std::vector<bool>和其他一般的std::vector<T>的内部实现是不一样的。

对指针类型进行特例化后

    template <class T>
    struct iterator_traits<T*>
    {
        typedef typename T value_type;
    };

这样假如是用指针类型来实例化iterator_traits，将会选择这个来实例化，而不是前一个通用形式。（选择哪一个模板实例化这里也不详述，《C++ Primer》有相关说明）
原来的iter_swap就变成了

    template <class FwIt1, class FwIt2>
    void iter_swap(FwIt1 i1, FwIt2 i2)
    {
    //    typename FwIt1::value_type tmp = *i1;
        typename
            iterator_traits<FwIt1>::value_type 
        tmp = *i1;
        *i1 = *i2;
        *i2 = tmp;
    }

可以看出，在模板参数之上再套个模板是起到适配器的作用，在类模板中需要用更通用的方式取得类型信息，相当于在一个体系内达成统一的标准。

C++标准库已经实现了iterator_traits，只有迭代器才能用作模板参数，因为只有迭代器类实现了那几个特定的typedef。另外，iterator_traits也针对指针类型进行了特例化。假如用容器作为模板参数，会报错（比如没有实现哪个typedef）。

回到最初的问题：什么是模板元编程？使用这种traits技巧跟模板元编程有什么关系？

简要地解释元编程（Meta Programming），元编程类似一个解释器，比如C/C++都是生成了汇编最终生成机器码让计算机运行的。

而模板元编程（TMP）是在C++的体系内，模板实例化后会变成新的代码，但这份新的代码仍然是C++代码，模板的优点就像它的名字一样，套个不同的参数能够刻画出一组组功能相似类型又不同的类或函数。比如std::vector<int>和std::vector<float>就是两种类型，但是却有着通用的方法。

模板的实例化是发生在编译期间的，这是C++ TMP的根本原因，能够在编译期间完成的事情不需要在运行期间做到，虽然编译时间更长，但是会得到运行效率的提升。

直接给出《C++模板元编程》第一章的例子，使用模板元编程来把二进制数转换成十进制数，在编译好时已经计算出了实例化的值。

template <unsigned long N>
struct binary
{
    static unsigned const value
        = binary<N / 10>::value << 1
        | N % 10;
};

// 特化
template <>
struct binary<0>
{
    static unsigned const value = 0;
};

它的思想是，一段短的类模板代码等价于好长好长的一个常量表达式（编译期间就确定），在运行时使用binary<110010>::value相当于直接使用一个常量表达式（用作赋值、实参等等）。而若按照传统的方法写个函数来计算，就是在运行时进行计算。

而类型跟值本质上是一样的，就像我们在类中进行了typedef，在类外部使用别名的方式就跟使用静态成员方式一样。模板元编程不仅仅是做这种数值运算，也可以做类型运算，前面花了较大大篇幅提到traits就是一个典例。