C++模板元编程(一)
首先看一个例子，利用模板元编程递归将无符号二进制数转换为十进制。
#include<iostream>
using namespace std;
// 递归，将无符号二进制转换为十进制
//
template<unsigned long N>
class binary
{
public:
static const unsigned int value = binary<N/10>::value * 2 + N % 10;
};
// 特化为N=0，终止递归
template<>
class binary<0>
{
public:
static const unsigned int value = 0;
};
int main()
{
std::cout << binary<101010>::value << std::endl;
return 0;
}Traits和类型操纵
假设设计一个迭代器的，需要访问迭代器中的类型时。当迭代器是一个类时，可以在其中嵌套指定它的元素类型。但是普通的指针也可以用作合法的迭代器，便不能在其中指定其元素类型。
template<typename ForwardIterator1, typename ForwardIterator2>
void iterSwap(ForwardIterator1 i1, ForwardIterator i2)
{
typename ForwardIterator1::value_type tmp = *i1;
*i1 = *i2;
*i2 = tmp;
}可以在其中引入一个中间层来解决此问题，通过该中间层进行类型计算来获得不同迭代器的元素类型。
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> File Name: traits_test.cpp
> Author: corfox
> Mail: corfox@163.com
> Created Time: 2015/12/27 11:39:56
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#include <iostream>
#include <iterator>
#include <cstddef>
using namespace std;
template<typename Tp>
class IteratorTraits
{
public:
//当使用一个依赖性的名字，且该名字表示一个类型时，C++标准要求使用typename关键字表明
typedef typename Tp::value_type value_type;
typedef typename Tp::reference reference;
typedef typename Tp::pointer pointer;
typedef typename Tp::difference_type difference_type;
typedef typename Tp::iterator_category iterator_category;
};
// 偏特化Tp为指针类型
template<typename Tp>
class IteratorTraits<Tp*>
{
public:
typedef Tp value_type;
typedef Tp& reference;
typedef Tp* pointer;
typedef std::ptrdiff_t difference_type;
typedef std::random_access_iterator_tag iterator_category;
};
template<typename ForwardIterator1, typename ForwardIterator2>
void iterSwap(ForwardIterator1 i1, ForwardIterator2 i2)
{
typename IteratorTraits<ForwardIterator1>::value_type tmp = *i1;
*i1 = *i2;
*i2 = tmp;
}
void f(int *p1, int *p2, size_t length)
{
for (size_t i = 0; i < length; ++i)
{
iterSwap(p1++, p2++);
}
}
void showArr(int *p, size_t length)
{
for (size_t i = 0; i < length; ++i)
cout << *p++ << " ";
cout << endl;
}
int main(void)
{
int arr1[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
int arr2[5] = { 6, 7, 8, 9, 10};
showArr(arr1, 5);
showArr(arr2, 5);
f(arr1, arr2, 5);
showArr(arr1, 5);
showArr(arr2, 5);
return 0;
}
-----
输出：
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
6 7 8 9 10
1 2 3 4 5元函数的定义：一个元函数可以是一个类模板，它的所有参数都是类型；或者一个类，带有一个名为“type”的公有嵌套结构类型(result types)。（摘自：《C++模板元编程》）
相关的概念:
1. 特化：类模板特化的语法规则template <variable part> class template-name<fixed part>。显示特化(explicit specialization)中，variable part是空的，而fixed part则由具体的模板参数构成；在部分特化(partial specilization)中，variable part包含有一个参数列表，fixed part中则至少有一个实参依赖于这些参数。
2. 主模板(primary template)：不是一个特化的模板声明称为主模板。
3. 实例化(instantiated)：当编译器需要知道一个模板的更多内容(远比“其实参是什么”更多，包括诸如其成员的名字或基类的身份等)时，模板将被实例化。在该时刻，编译器为所有模板参数填充实际值，挑选最佳匹配的显示或部分特化，计算出模板本体内的声明中使用的所有类型和常量，并核查这些声明是否有误。然而，不到定义（definition）（例如成员函数本体）被使用时，它并不实例化定义。
4. 元数据：可被C++编译期系统操纵的“值”可以被认为是元数据。在模板元编程中，两种最常见的元数据是类型和整数常量。C++的编译期部分通常被称为纯函数式语言，因为元数据是不可变的，并且元函数不可以有任何副作用。
5. 元函数：一个操纵元数据并可以在编译期“调用”的“函数”。
6. Traits：一种通过类模板特化在小片元数据之间建立关联的技术。
练习
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> File Name: excercise_210.cpp
> Author: corfox
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> Created Time: 2015/12/28 9:59:50
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#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <cassert>
#include <string>
using namespace std;
// 2-0
struct Test
{
virtual ~Test()
{
}
};
template<typename T>
struct add_const_ref
{
typedef const T& type;
};
template<typename T>
struct add_const_ref<T&>
{
typedef T& type;
};
// 2-1
template<typename T, typename P, typename U, bool same>
struct replace_type_indirect;
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type
{
static bool const value = std::is_same<T, P>::value;
typedef typename replace_type_indirect<T, P, U, value>::type type;
};
// T与P是相同类型时
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type_indirect<T, P, U, true>
{
typedef U type;
};
// T与P不是相同类型时
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type_indirect<T*, P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type* type;
};
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type_indirect<T&, P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type& type;
};
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type_indirect<T[], P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type type[];
};
template<typename T, typename P, typename U, int N>
struct replace_type_indirect<T[N], P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type type[N];
};
template<typename T, typename P, typename U>
struct replace_type_indirect<T(), P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type type();
};
template<typename T, typename P, typename U, typename A>
struct replace_type_indirect<T(A), P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type type(
typename replace_type<A, P, U>::type);
};
template<typename T, typename P, typename U, typename A1, typename A2>
struct replace_type_indirect<T(A1, A2), P, U, false>
{
typedef typename replace_type<T, P, U>::type type(
typename replace_type<A1, P, U>::type,
typename replace_type<A2, P, U>::type);
};
// 2-2
template<typename T, typename S>
inline T polymorphic_downcast(S* x)
{
assert(dynamic_cast<T>(x) == x);
return static_cast<T>(x);
}
template<typename T, typename S>
inline T polymorphic_downcast(S& x)
{
assert(dynamic_cast<typename std::add_pointer<
typename std::remove_reference<T>::type>::type>(&x) == &x);
return static_cast<T>(x);
}
struct SubTest : Test
{
};
// 2-3
template<typename T> struct type_descriptor
{
string value;
type_descriptor()
{
value = "The type T cannot be deduced.";
}
operator const char*()
{
return value.c_str();
}
};
template<> struct type_descriptor<int>
{
string value;
type_descriptor()
{
value = "int";
}
operator const char*()
{
return value.c_str();
}
};
template<> struct type_descriptor<short int>
{
string value;
type_descriptor()
{
value = "short int";
}
operator const char*()
{
return value.c_str();
}
};
template<> struct type_descriptor<char>
{
string value;
type_descriptor()
{
value = "char";
}
operator const char*()
{
return value.c_str();
}
};
template<> struct type_descriptor<long int>
{
string value;
type_descriptor()
{
value = "long int";
}
operator const char*()
{
return value.c_str();
}
};
template<typename T> struct type_descriptor<T*>
{
string value;
operator const char*()
{
value = type_descriptor<T>();
value += "*";
return value.c_str();
}
};
template<typename T> struct type_descriptor<T&>
{
string value;
operator const char*()
{
value = type_descriptor<T>();
value += "&";
return value.c_str();
}
};
template<typename T> struct type_descriptor<T const>
{
string value;
operator const char*()
{
value = type_descriptor<T>();
value += " const";
return value.c_str();
}
};
int main(void)
{
cout << "2-0" << endl;
cout << std::boolalpha;
// 测试T是一个引用，返回T
cout << std::is_same<add_const_ref<Test&>::type, Test&>::value << endl;
// 测试T不是一个引用，返回const T&
cout << std::is_same<add_const_ref<Test>::type, Test>::value << endl;
cout << std::is_same<add_const_ref<Test>::type, const Test&>::value << endl;
cout << "2-1" << endl;
cout << std::is_same<replace_type<void*, void, int>::type, int*>::value << endl;
cout << std::is_same<replace_type<int const*[10], int const, long>::type, long*[10]>::value
<< endl;
cout << std::is_same<replace_type<char& (*)(char&), char&, long&>::type, long& (*)(long&)>::value
<<endl;
// 2-2
SubTest b;
Test *a_ptr = &b;
SubTest *b_ptr = polymorphic_downcast<SubTest*>(a_ptr);
Test& a_ref = b;
SubTest& b_ref = polymorphic_downcast<SubTest&>(a_ref);
cout << "2-3" << endl;
cout << type_descriptor<int>() << endl;
cout << type_descriptor<char *>() << endl;
cout << type_descriptor<long const*&>() << endl;
return 0;
}