分享
 
 
 

Template Metaprogramming

王朝other·作者佚名  2006-01-10
窄屏简体版  字體: |||超大  

1. 何谓 Metaprogramming?

Metaprogram: program that manipulates another program.Metaprogramming is not a new concept:Compiler is a metaprogram: manipulates your code and produces code in a lower level codePreprocessorYACC这个容易理解,就像 Metadata 是“关于数据的数据”一样,Meta 这个前缀本身是很能说明问题的,如果把编译器也看成是一个 Metaprogram ,那么这个概念的确是没有什么神秘的,计算机里面的绝大多数程序,干的事情都不外乎把这种数据变成另外一种数据。

2. Metaprogramming 的几种途径

One approach: external to the language that is being manipulatedAnother approach: Domain language and host language are the same

第一种就是说的 YACC之类的了,当然,命令解释器也当仁不让的可以算是。

第二种么,Preprocessor 当然算是了,template 则是重头戏了。

3. 举几个简单的例子先?

CppTM 领域最经典最简单的例子莫过于计算阶乘了,它简单而有用,同时体现了 CppTM 的递归本质。我想绝大多数人当年学习递归的时候也是从这个例子开始的:

#include <iostream>

using namespace std;

template <int N>

struct factorial

{

static const int value = N * factorial<N - 1>::value;

};

template<>

struct factorial<0>

{

static const int value = 1;

};

int main()

{

cout << "factorial<10>: " << factorial<10>::value << endl;

cout << "sizeof char[factorial<4>::value]: " <<

sizeof(char[factorial<4>::value]) / sizeof(char) << endl;

}

输出:

factorial<10>: 3628800

sizeof char[factorial<4>::value]: 24

这只是一个回顾,上面的简单程序就不用我解释了吧?下面的这个 remove_cv 算法会去掉参数类型的 const 和 volatile 修饰符(如果有的话),Boost type_traits 就是这么干的。

#include <iostream>

using namespace std;

template <class T> struct remove_cv

{ typedef T type; };

template <class T> struct remove_cv<const volatile T>

{ typedef T type; };

template <class T> struct remove_cv<const T>

{ typedef T type; };

template <class T> struct remove_cv<volatile T>

{ typedef T type; };

int main()

{

cout << "remove_cv<const int>: "

<< typeid(remove_cv<const int>::type).name() << endl;

cout << "remove_cv<volatile int>: "

<< typeid(remove_cv<volatile int>::type).name() << endl;

cout << "remove_cv<const volatile int>: "

<< typeid(remove_cv<const volatile int>::type).name() << endl;

}

输出:

remove_cv<const int>: int

remove_cv<volatile int>: int

remove_cv<const volatile int>: int

这个也很简单,但是非常有用。最后再来一个,相当有用的,它让我们可以在编译期间把一个数字作为二进制数来解释:

#include <iostream>

using namespace std;

template <unsigned long N>

struct binary

{

static unsigned const value =

binary<N/10>::value << 1 | N%10;

};

template <>

struct binary<0>

{

static unsigned const value = 0;

};

int main()

{

cout << "binary<1>: " << binary<1>::value << endl;

cout << "binary<11>: " << binary<11>::value << endl;

cout << "binary<101>: " << binary<101>::value << endl;

cout << "binary<111>: " << binary<111>::value << endl;

cout << "binary<1011101>: " << binary<1011101>::value << endl;

}

输出:

binary<1>: 1

binary<11>: 3

binary<101>: 5

binary<111>: 7

binary<1011101>: 93

不过上面这个程序不容错,换句话说,如果你写 binary<123>::value ,编译器不会阻止你,还会给出一个愚蠢的答案。如果要做一个容错的解释器,只需要玩一个小小的把戏(本人原创):

#include <iostream>

using namespace std;

namespace aux{

// 对于 0 和 1 以外的数,都不定义 value ,这样在出现 0 1 之外的数

// 的时候,编译器会抱怨找不到 value

template <unsigned long N>

struct binary

{};

template <>

struct binary<1>

{ static unsigned const value = 1; };

template <>

struct binary<0>

{ static unsigned const value = 0; };

}

template <unsigned long N>

struct binary

{

static unsigned const value =

binary<N/10>::value << 1 | aux::binary<N%10>::value;

};

template <>

struct binary<0>

{

static unsigned const value = 0;

};

int main()

{

cout << "binary<1>: " << binary<1>::value << endl;

cout << "binary<11>: " << binary<11>::value << endl;

cout << "binary<101>: " << binary<101>::value << endl;

cout << "binary<111>: " << binary<111>::value << endl;

cout << "binary<1011101>: " << binary<1011101>::value << endl;

// 你可以 uncomment 下面这一行看看会发生什么

//cout << "binary<123>: " << binary<123>::value << endl;

}

输出还是一样,但是如果你写了 binary<123>::value 这样的东西,编译器就会抱怨了:

error C2039: 'value' : is not a member of 'aux::binary<N>'

with

[

N=2

]

// bla bla bla

好了,例子够多了,我们可以稍微总结一下。CppTM 的好处在于:

把很多计算放到编译期间完成,使得运行效率大为提高由于计算在编译期间完成,很多错误也可以在编译期间发现,程序员不用到了程序开始跑了才进入痛苦的调试有一些事情,比如 remove_cv ,在运行期间还的确不那么好做

4. 我怎么开始 Metaprogamming 呢?

在我们开始学习编程的时候,首先学到的是赋值、条件判断、循环等等。在 CppTM 中,这些有了变化,如下:

循环 --> 模板递归

条件判断 --> 模板偏特化

赋值 --> 没有,变量的值一旦确定就不会变化(这对于 functional programming 是常事)

函数输入输出 --> 类型和常量

其实这些特征并不是什么旁门左道,正好相反,它具有 functional programming 的特征,符合图灵机模型(感兴趣的话可以看这篇 paper: C++ Templates are Turing Complete)。

5. 模板偏特化是个好东西,但是我每次都要把 if...then...else 映射成它,岂不是要累死?况且这编码量也太大...

这是个好问题,好在在计算机科学里面有一句箴言:You can solve everything by adding an extra layer of abstraction. 使用模板偏特化进行条件判断如此常用,我们完全应该把它抽象出来以备重用:

template <bool Cond, class Then, class Else>

struct if_

{ typedef Then type; };

template <class Then, class Else>

struct if_ <false, Then, Else>

{ typedef Else type; };

简单吧? 虽然简单,但是我们从此却可以在更高的抽象层面上看问题,我们摆脱了用模板偏特化思考,现在可以直接用 if...then...else 来思考了。那么,上面解释二进制数的程序就变成了下面这样:

#include <iostream>

using namespace std;

template <bool Cond, class Then, class Else>

struct if_

{ typedef Then type; };

template <class Then, class Else>

struct if_ <false, Then, Else>

{ typedef Else type; };

namespace aux{

struct one

{ static unsigned const value = 1; };

struct zero

{ static unsigned const value = 0; };

struct other

{};

}

template <unsigned long N>

struct binary

{

static unsigned const value =

if_ <N/10 == 0, aux::zero, binary<N/10> >::type::value << 1 |

if_ <N%10 == 0, aux::zero,

if_ <N%10 == 1, aux::one, aux::other>::type

>::type::value;

};

int main()

{

cout << "binary<1>: " << binary<1>::value << endl;

cout << "binary<11>: " << binary<11>::value << endl;

cout << "binary<101>: " << binary<101>::value << endl;

cout << "binary<111>: " << binary<111>::value << endl;

cout << "binary<1011101>: " << binary<1011101>::value << endl;

// 你可以 uncomment 下面这一行看看会发生什么

//cout << "binary<123>: " << binary<123>::value << endl;

}

输出还是一样,但是现在不仅程序长度减少,而且相关的逻辑也用我们熟悉的 if...then...else 的方式来表达。多一层抽象果然威力强大!当然,循环还是要用模板递归的。

6. 流程控制的问题解决了,下面呢?我们是不是需要一些容器,像 STL 那样?

如果要表达一个装“类型”的容器,你会怎么做?象下面这样么?

struct types

{

typedef int t1;

typdef long t2;

typedef std::vector<double> t3;

}

大概只要稍微明智一点,你就会马上放弃这个想法,它太没有通用性了。真正的启示来自于 Lisp ,在 Lisp 中,表是最重要的数据结构,几乎是“万物皆表”。一个表由一个头和一个尾组成,可以嵌套,空表用 nil 表示。这种简单的概念却有着不可思议的表达能力。如果我们用 C++ 来模拟,就是这样:

template <class First, class Rest>

struct cons

{

typedef First first;

typedef Rest rest;

};

struct nil {};

现在我们需要表示一个类型列表就有章可循了:

typedef

cons<int,

cons<long,

cons<std::vector<double>,

nil> > > a_type_list;

它是递归的,从而我们可以很容易的用递归的方式来对它们作协操作,用来操作它们的,就是 Metafunction,前面的 if_ 就是一个 Metafunction。例如我们想选择两个类型中比较大的一个,可以写一个 choose_larger Metafunction:

template <typename T1, typename T2>

struct choose_larger

{

typedef typename if_ <(sizeof(T1) > sizeof(T2)), T1, T2>::type type;

};

我们再次看到,由于有了 if_ ,我们的生活变得轻松多了。让我们继续向前发展,我们不想仅仅停留在两个类型比大小上,我们希望选择一个 type list 里面最大的那一个:

template <typename T> struct largest;

template <typename First, typename Rest>

struct largest<cons<First, Rest> >

: choose_larger<First, typename largest<Rest>::type>

{};

template< typename First >

struct largest<cons<First,nil> >

{ typedef First type; };

其实上面的也可以用上 if_ ,只不过我们现在还没有写出判断一个类型是否为 nil 的 Metafunction ,这是件很简单的事情,大家可以自己去写写看。有了它们,得到一个 type list 里面最大的元素就轻而易举了:

#include <vector>

#include <iostream>

using namespace std;

//... 上面的那些 Metafunction

int main()

{

typedef

cons<int,

cons<long,

cons<std::vector<double>,

nil> > > type_list;

cout << typeid(largest<type_list>::type).name() << endl;

}

输出:

class std::vector<double,class std::allocator<double> >

7. 的确很棒,但是这跟我们当年学数据结构以后,没事就写个链表玩玩差不多,在生产环境中可不能这样,用什么通用的方法么?

终于到了这一步,在“重复发明轮子”足够多次以后,终于就有人会出来发明通用轮子的,MPL 就是一个很好的尝试,当然 Loki 也算是。

还记得 if_ 让我们尝到的甜头么?聪明人在看到了这些甜头以后,是决不会止步不前的,Dave Abrahams 和 Aleskey Gurtovoy 就是这样的聪明人,他们发明了 MPL 。留到下一篇好了。

 
 
 
免责声明:本文为网络用户发布,其观点仅代表作者个人观点,与本站无关,本站仅提供信息存储服务。文中陈述内容未经本站证实,其真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。
2023年上半年GDP全球前十五强
 百态   2023-10-24
美众议院议长启动对拜登的弹劾调查
 百态   2023-09-13
上海、济南、武汉等多地出现不明坠落物
 探索   2023-09-06
印度或要将国名改为“巴拉特”
 百态   2023-09-06
男子为女友送行,买票不登机被捕
 百态   2023-08-20
手机地震预警功能怎么开?
 干货   2023-08-06
女子4年卖2套房花700多万做美容:不但没变美脸,面部还出现变形
 百态   2023-08-04
住户一楼被水淹 还冲来8头猪
 百态   2023-07-31
女子体内爬出大量瓜子状活虫
 百态   2023-07-25
地球连续35年收到神秘规律性信号,网友:不要回答!
 探索   2023-07-21
全球镓价格本周大涨27%
 探索   2023-07-09
钱都流向了那些不缺钱的人,苦都留给了能吃苦的人
 探索   2023-07-02
倩女手游刀客魅者强控制(强混乱强眩晕强睡眠)和对应控制抗性的关系
 百态   2020-08-20
美国5月9日最新疫情:美国确诊人数突破131万
 百态   2020-05-09
荷兰政府宣布将集体辞职
 干货   2020-04-30
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案逍遥观:鹏程万里
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案神机营:射石饮羽
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案昆仑山:拔刀相助
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案天工阁:鬼斧神工
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案丝路古道:单枪匹马
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:与虎谋皮
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:李代桃僵
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:指鹿为马
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案金陵:小鸟依人
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案金陵:千金买邻
 干货   2019-11-12
 
推荐阅读
 
 
 
>>返回首頁<<
 
靜靜地坐在廢墟上,四周的荒凉一望無際,忽然覺得,淒涼也很美
© 2005- 王朝網路 版權所有