c++ 模板元编程的一点体会

趁着国庆长假快速翻了一遍传说中的、大名鼎鼎的 modern c++ design，钛合金狗眼顿时不保，已深深被其中各种模板奇技淫巧伤了身。。。论语言方面的深度，我看过的 c++ 书里大概只有 insight c++ object model 能与之一战吧？难怪 Herb 老喜欢调侃 Andrei 在模板方面是个可怕的家伙，就从这本书的质量来看，Andrei 当之无愧。

c++ 模板元编程的能量远比第一眼印象里所能想像得要强大，当然，这个结论并不明显，很多时候人们也就拿模板当作减少重复代码的工具简单使用，很少有人会像写 STL, boost, loki 那样子正儿八经完全以模板为根基进行创作，个中原因是多样的，一个结果就是，模板的威力即使在很多 c++ 熟手的手下也不容易充分展现出来，当然，从工程的角度来讲，这并非就是坏事，并不见得非得穷尽语言的高级特性，写出让人惊叹的代码才是好代码，实战中更多时候讲究的是简洁，易读，好上手好维护这些基本原则，特别是当团队中人员在语言水平上参差不齐时更是如此，杜甫的诗也许更工整严谨，但白居易的诗则显然更老少皆宜，这个体会我是在阅读 boost.proto 的代码时得来的，好奇的读者可以自行去了解一下，注意做好安全措施。

从语言特性上来说，模板元编程具备了一个完备的编程语言所必需的一些基本结构，比如说，循环，分支，判断等，当然，这些结构在模板中可能也不太明显，例如循环，它的实现的关键在于使用递归，出口点在特化，typedef 和 enum 则可以当成是编译时的变量，它们都能在编译时递归式地依赖于别的模板，尤其是 enum, 甚至可以通过使用三元操作符(:?)实现编译时判断，而至于分支(if/else)，它们的实现显然就在于特化了。

以上的说辞可能有些虚无，下面以 Loki 中光彩夺目的 typelist 为例简单展示一下模板都能做些什么。

typelist 是这样一个好东西，你可以把它看成是一个链表，该链表中放的是类型，具体结构定义如下：

template <class T, class U>
struct Typelist
{
  typedef T Head;
  typedef U Tail;
};

Head 是 typelist 中当前节点所保存的 type， Tail 是 typelist 中该节点之后的其它部分，可以看成是一般链表中的 next 指针，怎么判断哪个节点是 typelist 的最后一个节点呢？在一般链表中，next 为空的节点是最后一个节点，同理，在 typelist 中我们可以定义一个空的结点：

struct NullType
{
};

有了如上的定义，于是我们可以按如下样子来使用 typelist 了：

typedef Typelist<char, Typelist<int, Typelist<short, NullType> >

但是上面的写法怎么看都很难用很别扭，而且极端不美观，在这个看脸的时代这样怎么行，所以 Loki 定义了一大堆宏来减轻使用者的负担，看这里，因为当时 c++ 的标准还不支持 variadic template parameter，这些宏事实上是相当死板恶心的，但这也是没法的事，不看它的实现就好了。

就这么一个简单的结构，现在我们要让它支持查找，定位，插入，删除等常规操作，是不是觉得有些为难甚至觉得不可能? 答案是这些操作都是可行的，比如说查找，现在给定一个如上定义的 typelist，怎么判断该 typelist 中是否存在某一个特定类型呢？答案如下，其它的操作本质上差不多，有兴趣的读者可自行挑战一下，这里就不在啰嗦：

template<class TL, class T> struct IndexOf;

// 当搜索空的 typelist 时，结果为 -1.

template<>
struct IndexOf<NullType, T>
{
  enum { value = -1 };
};

// 当前节点的类型为所想要搜索的类型时

template<class T， class Tail>
struct IndexOf<Typelist<T, Tail>, T>
{
  enum { value = 0 };
};

// 当前节点不是所查找的类型时，递归地在 Tail 中进行查找。

template<class Head, class Tail, class T>
struct IndexOf<Typelist<Head, Tail>, T>
{
  enum { in_tail = IndexOf<Tail, T>::value };

  // 使用三元操作符进行判断，T 是否在 Tail 中存在。
  enum { value = (in_tail >= 0)? 1 + in_tail: -1 };
};

从上面的例子我们可以看到，因为 c++ 支持对模板递归式的解析(也就是一个模板依赖于另一个模板时，先解释被依赖的模板)，尤其是 template template parameter，使得模板事实上有了很强的编译时运行的能力，这种能力表面上看起来可能不容易操控，但却显然是潜力无穷的，不过它的缺点也比较明显：

1. 编译时代码与运行时代码搅在一起，在处理复杂问题时，程序的逻辑可能不容易读懂。
2. 编译时调试现阶段的支持还不够好，错误信息异常地冗余而且不精确。

网络上关于 c++ 模板元编程的讨论有很多，模板的各种能力技巧也渐渐被越来越多的人所发现所挖掘，但是在实际的工作中，对很多人来说模板元编程却仍一直处于比较保守的阶段，说到底过分依赖模板元编程所带来的缺点还是太明显，就我粗陋的见闻来说，完全基于模板元编程做出来的比较出名的工具型的东西，主要有几个(都来自 boost)：boost spirit，boost proto 及 boost mpl，东西都非常非常棒，但使用的体验嘛，老实说都不是很好。。。特别是 spirit。而至于它们的实现，对有兴趣练习深入这方面技能的程序猿来说，这两者倒确实是不可多得好素材，尤其是 proto, 代表了一个高峰。

好消息是，伴随着 c++11 的到来，好些众人期盼以久的新特性终于从理想照进现实，尤其是 variadic parameter 的加入，可以预见将再度大大提升模板的能力，c++ 标准沉寂近10年后迎来了一个新时期，甚至还有人曾经提议要加入 static_if，concept 等概念也在酝酿中了，变化是唯一永恒不变的东西，你，作好准备了吗?