模板元实现顺序、分支和循环结构
顺序
顺序执行没有太多可说的,唯一需要注意的是,类型的声明必须按照顺序,否则编译器无法识别。不按照顺序的声明,在运行时的程序是合法的,编译过程会扫描两次,第一次是找声明位置,第二次是具体的转换。
分支
一般的分支选择
使用std::conditional
和std::conditional_t
处理
#include <iostream>
#include <type_traits>struct T {};
struct F {};int main() {std::conditional_t<true, T, F> t;std::conditional_t<false, T, F> f;return 0;
}
使用std::enable_if
和std::enable_if_t
处理
#include <iostream>
#include <type_traits>int main() {std::enable_if<true, T> t;return 0;
}
使用模板的特化处理
#include <iostream>struct A;
struct B;template<typename T>
struct Fun_ {constexpr static int value = 0;
};template<>
struct Fun_<A> {constexpr static int value = 1;
};template<>
struct Fun_<B> {constexpr static int value = 2;
};int main() {std::cout << Fun_<int>::value << std::endl;std::cout << Fun_<A>::value << std::endl;std::cout << Fun_<B>::value << std::endl;return 0;
}
/*
输出:
0
1
2
*/
使用if constexpr
处理
// C++17的表达式
if constexpr(/*...*/) {// 如果括号是true,则运行这一段,否则运行下一段
} else {}
简单实例,至少是C++17标准才可以
#include <iostream>
#include <string>template<bool Tag>
auto fun() {if constexpr (Tag) {return static_cast<int>(1);} else {return std::string("hello world !\n");}
}int main() {std::cout << fun<true>() << std::endl;std::cout << fun<false>() << std::endl;return 0;
}
输出:
1
hello world !
几个特殊点
不能在非完全特化的类模板中引入完全特化的分支代码!比如下面这一个错误的片段:
template<typename TF>
struct FOO {template<typename T>struct Fun_ {};template<>struct Fun_<int> {};
};
解决方式很简单,引入一个无用的默认void
模板即可:
template<typename TF>
struct FOO {template<typename T, typename TDummy = void>struct Fun_ {};template<typename TDummy>struct Fun_<int, TDummy> {};
};
C++11的SFINAE特性,特性的全称是Substitution Failed Is Not An Error,匹配失败不是错误。如果出现多个匹配的情况,编译器会寻找最佳匹配方案,不存在找不到匹配的情况,下面一个实例:
#include <iostream>
#include <string>int fun(int a) {return a;
}std::string fun(const std::string& str) {return str;
}int main() {std::cout << fun("foo") << std::endl;std::cout << fun(1.1f) << std::endl;return 0;
}
代码的fun
只匹配了std::string
和int
参数,有一个传入了float
参数,根据SFINAE
特性,这不是错误,而是主动匹配与之最接近的int
类型。
上述的std::enable_if
可以根据这个特性来构造:
#include <iostream>
#include <type_traits>template<bool CheckOut, typename T,std::enable_if_t<CheckOut>* = nullptr>
auto CheckOut_ (T && arg) {std::cout << "true, " << arg << std::endl;
}template <bool CheckOut, typename T,std::enable_if_t < !CheckOut > * = nullptr >
auto CheckOut_ (T&& arg) {std::cout << "false, " << arg << std::endl;
}int main() {CheckOut_<true, int>(5);CheckOut_<false, float>(1.1);return 0;
}
分支选择的短路逻辑
短路操作一般是指的运行期的计算短路操作,对于编译期间的元函数操作影响不大。先给出一个运行期短路操作的例子:
#include <iostream>bool fun() {std::cout << "fun()" << std::endl;return false;
}bool foo() {std::cout << "foo()" << std::endl;return true;
}int main() {int N;std::cin >> N;(N % 2 == 0) && fun() && foo();return 0;
}
输入奇数,则没有任何输出;输入偶数,则执行fun()
函数;foo
永远不会被执行。
然而编译期间不存在上述的短路行为,即&&
不会阻止模板的展开。假设有下面的代码,其中meta1
和meta2
假设都是元函数:
meta1<10> && meta2<100>;
则不论meta1<10>
执行结果如何,meta2<100>
都会递归展开执行。
编译期间的短路操作需要依靠模板的特化完成。给出一个例子,模板元函数AllOdd_<M, N>
需要判断M
和N
是否都是奇数,如果M
不是奇数,那么N
就不用判断了,直接短路操作即可。下面给出代码实例:
#include <iostream>
#include <cmath>template <size_t N>
struct IsOdd_ {constexpr static bool value = ((N % 2) == 1);
};template <bool cur, typename TNext>
constexpr static bool AndValue = false;template <typename TNext>
constexpr static bool AndValue<true, TNext> = TNext::value;template <size_t M, size_t N>
struct AllOdd_ {constexpr static bool is_M_odd = IsOdd_<M>::value;// 利用AndValue特化实现短路操作constexpr static bool value = AndValue<is_M_odd, IsOdd_<N>>;
};int main() {bool res1 = AllOdd_<2, 3>::value; // 输出0bool res2 = AllOdd_<7, 9>::value; // 输出1std::cout << res1 << std::endl;std::cout << res2 << std::endl;return 0;
}
循环
模板元编程的循环本质上是模板在编译期间的递归展开。编译器会保留递归展开的结果,从而为复用做优化,这是好的方面;坏的方面是,不是所用的重复结果都会被充分地利用,这样可能会出现组合爆炸的情况,导致内存占用过多,造成空间浪费。
一般的模板展开式循环
首先给出一个简单的实例,利用模板元求解1-N的累加和:
#include <iostream>// 泛型的模板
template <size_t N>
constexpr size_t Sum = N + Sum<N - 1>;// 模板特化,相当于递归终止的条件
template<>
constexpr size_t Sum<1> = 1;int main() {size_t s = Sum<10>;std::cout << s << std::endl; // 输出55return 0;
}
上述代码中,没有出现循环结构,而是使用模板的递归展开进行计算,典型的函数式编程,不过是在编译期间进行计算的,这是模板元编写循环的典型使用方式。
再给出一个模板元容器的例子:
#include <iostream>// 模板特化,递归终止的条件是没有参数,没有模板就表示没有参数
template<size_t ...Inputs>
constexpr size_t Sum = 0;// 泛型模板,函数式编程处理累加和
template <size_t CurInput, size_t ...Inputs>
constexpr size_t Sum<CurInput, Inputs...> = \CurInput + Sum<Inputs...>;
int main() {size_t s = Sum<1, 2, 3, 4, 5>;std::cout << s << std::endl; // 输出15return 0;
}
避免模板组合爆炸
一般来说,编译器会保留编译的结果,留作复用,从而提高编译速度。但是,复用的前提是模板的参数必须完全一致才可以!!否则无法复用,而且随着循环展开的,可能出现组合爆炸的情况,导致内存不足。
上述第一个累加和例子中,如果有:
size_t s1 = Sum<5>;
size_t s2 = Sum<10>;
那么,对于Sum<10>
来说,1-5的累加和不用进行计算,而是直接使用Sum<5>
的计算结果。但是,如果出现下面这种参数不匹配的情况,则无法进行重复利用,反而会存在大量的重复性计算。
给出一个区间累加和的模板元函数,计算M-N的累加值,闭区间的。
#include <iostream>template <int M> // 起始值
struct Begin {template<int N, typename TDummy = void>struct Sum_ { // 泛型累加模板constexpr static int value = N + Sum_ < N - 1 >::value;};template<typename TDummy>struct Sum_<M, TDummy> { // 模板特化,终止值constexpr static int value = M;};template<int N> // 输出的结果constexpr static int End = Sum_<N>::value;
};int main() {int s = Begin < -10 >::End<6>;int t = Begin < -11 >::End<6>;std::cout << s << std::endl;std::cout << t << std::endl;return 0;
}
上述模板中,虽然-10+…+5的过程和值是相同,但是由于参数不同,导致模板无法利用,所以产生模板空间浪费。正确的做法是拆分结构。
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