THE BOOST C++ METAPROGRAMMING
LIBRARY
Aleksey Gurtovoy
MetaCommunications
agurtovoy@meta-comm.com
David Abrahams
Boost Consulting
david.abrahams@rcn.com
1. Introduction
元程序通常被定义为“生成其它程序的程序”；像YACC那样的Parser generators是元程序的一种；YACC的输入是符合Extended Backus-Naur Form [EBNF]规范语法的语言，输出则是能够解析这种语法的程序（即这种语法的Parser）；注意这个例子中，元程序（YACC）是由一种不能够直接描述被生成程序的语言写就的（C语言），而我们称作metadata的那些规范，却是由一种meta-language写的，而不是由C语言；由于用户程序的剩余部分通常需要一种general-purpose的编程系统，并且必须与生成的Parser交互，因此metadata被翻译成了C语言，进而与系统的剩余部分编译连接在一起；metadata因此经历两个翻译阶段，用户不得不一直有意识的维护metadata和程序剩余部分之间的界限
1.1. Native language metaprogramming
元程序更有意思的一种形式存在于像Scheme那样的语言中，在那里，被生成程序的规范描述是由与元程序本身同样的语言给出的；元程序员定义的meta-language是所用编程语言语法的一个子集，被生成程序的生成可以和用户程序剩余部分的处理发生在同一个翻译阶段；这就允许用户透明的在“元程序”，“被生成程序”，和“普通程序”之间切换，并且通常不知道这种转换
1.2. Metaprogramming in C++
在C++中，几乎是偶然的，模板机制被发现提供了丰富的编译期计算的机制；
在这一节中，我们将探索C++元编程的基本机制和常用技术
1.2.1. Numeric computations
non-type template parameters的使编译期进行整数运算成为可能；例如，下面的模板计算了它的参数的阶乘（编译期）：
template< unsigned n >
struct factorial
{
static const unsigned value = n * factorial<n-1>::value;
};
template<>
struct factorial<0>
{
static const unsigned value = 1;
};
上面的代码片断被称为“metafunction”，很容易看出它和运行期计算的函数之间的联系：metafunction的“参数”是作为模板参数传递的，“返回值”是由嵌套的静态常量来定义的；因为C++中编译期表达式和运行期表达式之间的hard line，元程序看起来不同于它运行期的对应物；像在Scheme中一样，C++元程序员用和普通程序一样的语言（C++）来写元程序，但是只用到C++全部语言特性的一个子集：那些可以在编译期计算的表达式；用直接运行期定义的阶乘函数来比较一下上面的程序：
unsigned factorial(unsigned N)
{
return N == 0 ? 1 : N * factorial(N - 1);
}
很容易看出两个递归定义的类似；通常来说，递归对C++元编程比对运行期编程更重要；与像Lisp那样递归是惯用法的语言相比，C++程序员通常需要尽可能的避免递归；这不仅仅是因为效率问题，还因为“文化因素”：递归是难以理解的（对C++程序员）；虽然如此，但就像pureLisp，这种C++模板机制是一种函数式编程语言；同样的，它也消除了使用循环变量来维护循环的用法；
运行期和编译期阶乘函数的一个关键不同是递归结束条件的表达式：
我们的meta-factorial使用了模板特化作为一种模式匹配机制来描述当N等于0时的行为
运行期世界中的对应物将需要同一个函数的两种单独的定义（N等于0和N不等于0）
在这个元程序中，第二个函数模板（特化的那个）定义的影响是很小的，但在大的元程序中，理解和维护结束条件的代价将变得巨大
另外注意一个C++ metafunction的返回值必须“命名”；这个例子中选择的名字“value”，也是MPL中所有数值返回值所使用的名字；就像我们将要看到的，为metafunction的返回值建立统一的命名机制对库获得强大的功能是至关重要的
1.2.2. Type computations
我们将如何使用我们的factorial metafunction呢？for example，我们可以产生一个适当大小的数组类型来容纳另外一种类型的对象的实例的所有排列组合
// permutation_holder<T>::type is an array type which can contain
// all permutations of a given T.
// unspecialized template for scalars
template< typename T >
struct permutation_holder
{
typedef T type[1][1];
};
// specialization for array types
template< typename T, unsigned N >
struct permutation_holder<T[N]>
{
typedef T type[factorial<N>::value][N];
};
这里我们引入了“类型计算”的概念
像上面的factorial，permutation_holder模板是一个metafunction
然而，区别于factorial操作的是无符号整数数值，permutation_holder接受和“返回（作为嵌套的typedef类型）”一个类型；由于C++类型系统提供了较使用non-type template argument (e.g. the integers)所做的事情远为丰富的表达式集合，C++元程序大部分是由类型计算组成的
