C++模板元编程：类型选择、递归与条件定义

### C++模板元编程：类型选择、递归与条件定义 #### 1. 模板元编程基础 在模板编程中，类型函数和特性（traits）是重要的工具。例如，我们可以定义一个类型别名来获取迭代器的类别： ```cpp template<typename T> using Iterator_category = typename std::iterator_traits<T>::iterator_category; ``` 在搜索函数的示例中，我们可以使用特性来定义函数： ```cpp template<typename Iter> Iter search(Iter p, Iter q, Value_type<Iter> val) { Difference_type<Iter> m = q - p; // ... } ``` 然而，特性可能存在过度使用的问题。我们可以不使用特性或其他类型函数来重写上述示例： ```cpp template<typename Iter, typename Val> Iter search(Iter p, Iter q, Val val) { auto x = *p; // if we don’t need to name *p’s type auto m = q - p; // if we don’t need to name q-p’s type using value_type = decltype(*p); // if we want to name *p’s type using difference_type = decltype(q - p); // if we want to name q-p’s type // ... } ``` 这里使用了`auto`和`decltype`，它们是C++11引入的新特性。特性对于将一个类型与另一个类型关联起来是必不可少的，但如果只是为已经有合适名称的东西提供一个新名称，可能会导致混淆，因此不应盲目定义特性。 #### 2. 编译时控制结构 为了在编译时进行通用计算，我们需要选择和递归。 ##### 2.1 选择 在编译时选择类型，我们可以使用`Conditional`和`Select`。 - **Conditional**：用于在两个类型之间进行选择，是`std::conditional`的别名。 ```cpp template<bool C, typename T, typename F> // general template struct conditional { using type = T; }; template<typename T, typename F> // specialization for false struct conditional<false, T, F> { using type = F; }; ``` 为了简化语法，我们可以引入一个类型别名： ```cpp template<bool B, typename T, typename F> using Conditional = typename std::conditional<B, T, F>::type; ``` 例如： ```cpp Conditional<(Is_polymorphic<T>()), X, Y> z; ``` - **Select**：用于在多个类型之间进行选择。 ```cpp class Nil {}; template<int I, typename T1 = Nil, typename T2 = Nil, typename T3 = Nil, typename T4 = Nil> struct select; template<int I, typename T1 = Nil, typename T2 = Nil, typename T3 = Nil, typename T4 = Nil> using Select = typename select<I, T1, T2, T3, T4>::type; // Specializations for 0 - 3: template<typename T1, typename T2, typename T3, typename T4> struct select<0, T1, T2, T3, T4> { using type = T1; }; template<typename T1, typename T2, typename T3, typename T4> struct select<1, T1, T2, T3, T4> { using type = T2; }; template<typename T1, typename T2, typename T3, typename T4> struct select<2, T1, T2, T3, T4> { using type = T3; }; template<typename T1, typename T2, typename T3, typename T4> struct select<3, T1, T2, T3, T4> { using type = T4; }; ``` 使用可变参数模板，我们可以提供更简单和通用的`select`： ```cpp template<unsigned N, typename... Cases> // general case; never instantiated struct select; template<unsigned N, typename T, typename ... Cases> struct select<N, T, Cases...> : select<N - 1, Cases...> { }; template<typename T, typename ... Cases> // final case: N==0 struct select<0, T, Cases...> { using type = T; }; template<unsigned N, typename... Cases> using Select = typename select<N, Cases...>::type; ``` ##### 2.2 编译时与运行时的区别 普通的`if`语句不能用于类型选择，因为声明不能作为`if`语句分支的唯一语句。例如： ```cpp struct Square { constexpr int operator()(int i) { return i * i; } }; struct Cube { constexpr int operator()(int i) { return i * i * i; } }; if (My_cond<T>()) using Type = Square; // error : declaration as if-statement branch else using Type = Cube; // error : declaration as if-statement branch Type x; // error : Type is not in scope ``` 而使用`Conditional`可以正常工作： `