元编程

元编程（Metaprogramming）是指某类计算机程序的编写，这类计算机程序编写或者操纵其他程序（或者自身）作为它们的数据，或者在运行时完成部分本应在编译时完成的工作。很多情况下与手工编写全部代码相比工作效率更高。编写元程序的语言称之为元语言，被操作的语言称之为目标语言。一门语言同时也是自身的元语言的能力称之为反射。

反射是促进元编程的一种很有价值的语言特性。把编程语言自身作为头等对象（如Lisp或Rebol）也很有用。支持泛型编程的语言也使用元编程能力。

元编程通常有两种方式起作用。一种方式是通过应用程序接口（API）来暴露运行时引擎的内部信息。另一种方法是动态执行包含编程命令的字符串。因此，“程序能编写程序”。虽然两种方法都能用，但大多数方法主要靠其中一种。

 

一个简单元编程的例子是使用bash脚本的产生式编程示例：

#!/bin/bash

# metaprogram

echo '#!/bin/bash' >program

for ((I=1; I<=992; I++)) do

echo "echo $I" >>program

done

chmod +x program

这个脚本（或程序）生成了一个新的993行程序来打印1至992。这只是演示用代码来写更多代码，并不是打印数字的最有效方法。然而，一个程序员可以几分钟内编写和执行元程序，却生成了近1000行代码。

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C++中也可以使用模板来进行元编程（以下代码在VC2008中编译通过）：

#include<iostream>

using namespace std;

int Result;

//主模板

template<int N> //模板

class Fibonacci

{

public:

enum{Result = Fibonacci<N-1>::Result + Fibonacci<N-2>::Result };

//枚举，带有隐含计算

};

//完全特化模板

template<>

class Fibonacci<1> //带常参数1的构造函数

{

public:

enum { Result = 1 };

//给枚举赋初值1

};

//完全特化模板

template<>

class Fibonacci<0> //带参数0的模板

{

public:

enum { Result = 0 };

//给枚举赋初值0

};

int main()

{

std::cout << "第20项的Fibonacci数是：" << Fibonacci<20>::Result << std::endl;

//隐含计算

system("pause");

return 1;

}

该示例定义了一个类模板，类中声明了一个枚举类型，该程序的奥秘就在枚举类型的构造上。从枚举类型的构造可以看出，他自身有一个样俺的迭代计算。两个构造函数为枚举类型初始化了数列的初始值，当调用“Fibonacci<20>::Reasult“时，就以这两个初始值为基础进行迭代。因此，程序在运行时并没有显示的计算，而是在编译时就由编译器计算了。

当编译器实例化Fibonacci<20>时，为了给其enum Result赋值，编译器需要对Fibonacci<19>和Fibonacci<18>进行实例化，之后同理······，当实例化到Fibonacci<1>和Fibonacci<0>的时候，完全特化模板被实例化，至此迭代结束。

所以，该程序编译的结果仅包含一个常量值，输出如下：

第20项的Fibonacci数是：6765

 

元编程是：关于程序的程序、操纵代码的程序。

应用：编译时计算、补充类型系统、基于模板的计算

优点：增强代码重用，编译时计算，不占用运行时cpu。

缺点：代码可读性较差，调试困难，编译时间延长，局限性（数值计算）

主要思想：利用模板特化机制实现编译期条件选择结构，利用递归模板实现编译期循环结构，模板元程序则由编译器在编译期解释执行。

模板元编程使用静态c++语言成分，编程风格类似于函数式编程，其中不可以使用变量、赋值语句和迭代结构等。

在模板元编程中，主要操作整形（包括布尔类型、字符类型、整数类型）常量和类型。被操纵的实体也称为元数据。所有元数据均可作为模板参数。