《Effective C++》：條款48：認識template元編程

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Template metaprogramming(TMP,模板元編程）是編寫template-based C++程式，編譯的過程。template metaprogramming是用C++寫的模板程式，編譯器編譯出具體化的過程。也就是說，TMP程式執行後，從templates具體化出來C++源碼，不再是模板了。

TMP有兩個作用，一是它讓某些事更容易。例如編寫STL容器，使用模板，可是存放任何類型元素。二是將執行在運行期的某些工作轉移到了編譯期。還有一個結果是使用TMP的C++程式可能在其他方面更高效：較小的可執行檔、較短的運行期、較少的記憶體需求。但是將運行期的工作轉移到了編譯期，編譯期可能變長了。

再看一下條款 47中的advance偽碼

 template<typename Iter, typename DistT>    void advance(IteT& iter,DistT d)    {        if(iter is a random access iterator)            iter+=d;        else        {            if(d>=0)                while(d--) ++iter;            else                 while(d++) --iter;        }    }

可以使用typeid讓判斷iter類型的偽碼運行

 template<typename Iter, typename DistT>    void advance(IteT& iter,DistT d)    {        if(typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category)        ==typeid(std::random_access_iterator_tag))            iter+=d;        else        {            if(d>=0)                while(d--) ++iter;            else                 while(d++) --iter;        }    }

typeid-based解法效率比traits解法低，因為在此方案中，1類型測試發生在運行期而不是編譯期，2運行期類型測試代碼在（或被串連於）可執行檔中。這個例子可以說明TMP比正常的C++程式更高效，因為traits解法就是TMP。

一些東西在TMP比在正常的C++更容易，advance提供一個好例子。advance的typeid-based實現方式可能導致編譯期問題

    std::list<int>::iterator iter;    ……    advance(iter,10);    void advance(std::list<int>::iterator& iter,int d)    {        if(typeid(typename std::iterator_traits<std::list<int>::iterator>::iterator_category)        ==typeid(std::random_access_iterator_tag))            iter+=d;//錯誤        else        {            if(d>=0)                while(d--) ++iter;            else                 while(d++) --iter;        }    }

在+=這個操作符上是錯誤調用。因為list::iterator不支援+=，它是bidirectional迭代器。我們知道不會執行+=那一行，因為typeid那一行總是不相等；但是編譯期要確保所有源碼都有效，即使是不會執行的代碼。traits-based TMP解法針對不同類型執行不同代碼，不會出現上述問題。

TMP已被證明是個圖靈完全機器，也就是說它的威力足以計算任何事物。可以使用TMP聲明變數、執行迴圈、編寫調用函數……。有時候這會和正常C++對應物看起來很是不同，例如條款 47展示的TMP if-else是由templas和其特化具體表現出來。不過那是組合語言級的TMP。針對TMP設計的程式庫（例如Boost’s MPL，**條款**55）提供更進階的文法。

為了再次認識下事物在TMP中如何運作，來看下迴圈。TMP沒有真正迴圈，迴圈由遞迴（recursion）完成。TMP遞迴甚至不是正常的遞迴，因為TMP遞迴不涉及遞迴函式調用，而是涉及遞迴模板化（recursive template instantiation）。

TMP的起手程式是在編譯期計算階乘。TMP的階乘運輸示範如何通過遞迴模板具體化實現迴圈，以及如何在TMP中建立和使用變數

    template<unsigned n>    struct Factorial{        enum {value=n*Factorial<n-1>::value};    };    template<>    struct Factorial<0>{ //特殊情況，Factorial<0>的值是1        enum {value=1};    };

有了這個template metaprogram，只要指涉Factorial::value就可以得到n階乘值。迴圈發生在template具體化Factorial內部指涉另一個template具體化Factorial之時。特殊情況的template特化版本Factorial<0>是遞迴的結束。

每個Factorial template具體化都是一個struct，每個struct都聲明一個名字為value的TMP變數，用來儲存當前計算所獲得的階乘值。TMP以遞迴模板具體化取代迴圈，每個具體化有自己一份value，每個value有其迴圈內適當值。

用Factorial示範TMP就像用hello world示範程式設計語言一樣。為了領悟TMP之所以值得學習，就要先對它能夠達成什麼目標有一個比較好的理解。下面舉三個例子：

• 確保量度單位正確。使用TMP就可以確保在編譯期所有量度單位的組合都正確。
• 最佳化矩陣運算。條款 21曾經提到過某些函數包括operator * 必須返回新對象，在條款 44中有一個SquareMatrix。如果這樣使用

    typedef SquareMatrix<double,1000> BigMatrix;    BigMatrix m1,m2,m3,m4,m5;    ……    BigMatrix result=m1 * m2 * m3 * m4 * m5;

上面乘法會產生四個臨時性矩陣，乘法還可能產生了4個作用在矩陣元素身上的迴圈。如果使用進階、與TMP相關的template（即expression templates），就有可能消除那些臨時對象併合並迴圈。所以TMP使用較少記憶體，執行速度也有提升。

• 可以產生客戶定製之設計模式（custom design pattern）實現品。使用policy-based design之TMP-based技術，有可能產生一些templates用來表述獨立的設計項（所謂policies），然後可以任意結合它們，導致模式實現品帶著客戶定製的行為。

TMP目前還不完全成熟，文法不直觀，支援的工具還不充分。但TMP對難以或甚至不可能於運行期實現出來的行為表現能力很吸引人。雖然TMP不會成為主流，但是會成為一些程式員（特別是程式庫的開發人員）的主要糧食。

總結

• Template metaprogramming（TMP，模板元編程）可將工作由運行期移到編譯期，因而得以實現早期錯誤偵測和更高的執行效率。
• TMP可被用來產生“基於政策選擇組合”（based on combinations of policy choices）的客戶定製代碼，也可用來避免產生對某些特殊類型並不適合的代碼。

《Effective C++》：條款48：認識template元編程