C++模板元編程之使用模板，對數組進行“編譯期間求和”

編譯期間求值，將計算提前到編譯期間進行，可以最大限度地榨乾編譯器的潛力，提高程式的運行速度，用Andrei Alexanderescu的話說就是“時間花在編譯期，就某種意義來說這是‘免費的’”（《C++設計新思維》P55）。所以就有了對數組在編譯期間求和的需求。

先上代碼，再解釋：

#include <iostream>using namespace std;//一個全域的int數組,需要對其求和const int CONST_ARRAY[5]={1,2,3,4,5};//去掉const屬性後,編譯也可以通過//一個類模板,用於對數組求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;};//通過遞迴定義模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;//亮點在這裡//一個完全特化的類模板,用於結束模板的遞迴定義template<>struct SumArrInCompilePhaseCls<0>{static const int SUM;};const int SumArrInCompilePhaseCls<0>::SUM=CONST_ARRAY[0];int main(){        //使用模板,進行編譯期間的數組求和cout<<SumArrInCompilePhaseCls<4>::SUM<<endl;//結果15}

SUM確實是在編譯階段計算的，因為SUM是static const類型，該類型在編譯完成之後，就固定了，無法在運行期間改變！

仔細研究上面一段代碼，就會發現，在定義非特化類模板的SUM值時，使用了模板的遞迴定義：

//通過遞迴定義模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;

編譯器在編譯該運算式時，由於SumArrInCompilePhaseCls<index-1>類型未知，所以編譯器會產生SumArrInCompilePhaseCls<index-1>，繼而產生SumArrInCompilePhaseCls<index-2>，SumArrInCompilePhaseCls<index-3>，……還有好多~。也就是說，該運算式，導致編譯器遞迴產生多個SumArrInCompilePhaseCls模板類，而當index終於遞減到0時，即要產生SumArrInCompilePhaseCls<0>時，編譯器“驚喜”地發現，SumArrInCompilePhaseCls<0>已經實現了！所以編譯器就停止繼續產生"SumArrInCompilePhaseCls模板類"了，遞迴結束了！

由於所有“SumArrInCompilePhaseCls模板類”裡的SUM都是static const值，所以對於const值，就可以在編譯期間求和。

結束了嗎？

木有！

上面的代碼有兩個小問題：

1、調用時，輸入的index如果為負數(比如-1)，編譯期間出現遞迴棧溢出，編譯失敗！因為負數無法“遞減到0"，也就是說，遞迴不會停止！

2、輸入的index超過CONST_ARRAY的上限時(比如5)，儘管編譯通過，但是運行結果錯誤，因為編譯期間求和的時候數組越界了！

好了，我們希望對數組求和的時候，可以判斷使用者的輸入是否合法！

可以通過增加一個“編譯期間的斷言”來解決這兩問題，這個斷言的源碼如下：

//一個編譯期間起斷言作用的類模板,用於保證數組下標始終非負template<bool isOk>struct CompilePhaseAssertion;template<>struct CompilePhaseAssertion<true>{};

使用的時候，可以這樣子：

//一個類模板,用於對數組求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;private:CompilePhaseAssertion<index>=0&&index<sizeof(CONST_ARRAY)/sizeof(int)> IsValidIndex;};

原理很明顯了吧？

CompilePhaseAssertion是個類模板，但是並沒有定義它！僅僅有一個參數為true的完全特化版本，所以，當模板參數isOk為false時，根本無法產生這種類型的執行個體，因為沒有isOk==false的模板類，因而導致編譯報錯。

通過在CompilePhaseAssertion中增加CompilePhaseAssertion執行個體的方式，保證index的範圍合法。

修改後的代碼如下：

#include <iostream>using namespace std;//一個全域的int數組,需要對其求和int CONST_ARRAY[5]={1,2,3,4,5};//一個編譯期間起斷言作用的類模板,用於保證數組下標始終非負template<bool isOk>struct CompilePhaseAssertion;template<>struct CompilePhaseAssertion<true>{};//一個類模板,用於對數組求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;private:CompilePhaseAssertion<index>=0&&index<sizeof(CONST_ARRAY)/sizeof(int)> IsValidIndex;};//通過遞迴定義模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;//一個完全特化的類模板,用於結束模板的遞迴定義template<>struct SumArrInCompilePhaseCls<0>{static const int SUM;};const int SumArrInCompilePhaseCls<0>::SUM=CONST_ARRAY[0];int main(){//使用模板,進行編譯期間的數組求和cout<<SumArrInCompilePhaseCls<4>::SUM<<endl;}

此時，如果使用以下兩種方式求和，則編譯報錯：

cout<<SumArrInCompilePhaseCls<-1>::SUM<<endl;//數組下標為負cout<<SumArrInCompilePhaseCls<5>::SUM<<endl;//數組上界越界

本文完。

參考資料：

1、《C++設計新思維》，Andrei Alexanderescu著，侯捷、於春景譯。

2、C++模板元編程技術與應用

3、榮威老師寫的其他文章或書籍

4、C++ 的MetaProgramming 入門篇

注意：

以上代碼在VS2005和G++中都能編譯通過，但是只有G++編譯出來的程式才能運行出正確結果（15），VS2005中的結果是錯誤的（5），原因還不清楚，如果您知道VS2005計算錯誤的原因，請及時留言通知我，我會非常感激您的！