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C++模板元编程实战

2023-07-04 00:27:59 深夜i -- --

C++ 模板元编程实战编程技巧

模板是C++中非常重要的语言特性，在编写高效并且可靠的程序中扮演了重要的角色。在C++中，模板除了可以用来定义函数模板、类模板等等，还可以用来进行元编程，在编译期进行计算和处理数据。这就是C++的元编程。

元编程可以用来进行不少高级的编程技术，比如静态多态、运行时代理、C++类型的自省等等。其中最常用的就是数值序列的算法。

C++模板元编程的开发过程中，我们经常会被其复杂的语法和编译错误挑战。但是在掌握了相关技术之后，我们就可以在编译期获得不少的优化和错误检查。

下面，我们通过一个简单的例子来演示如何使用C++模板元编程实现数值序列的算法。

在这个例子中，我们需要实现一个模板类模板参数中包含整数序列的Sum功能，即计算这个序列中所有值的总和。

首先我们定义一个整数序列的模板类IntegerSequence。


template<int... values>
struct IntegerSequence {
  static int sum() {
    int s = 0;
    const int arr[] = { values... };
    for (int val : arr) s += val;
    return s;
  }
};

这里我们使用了可变参数模板和折叠表达式，将模板参数中的整数值保存在一个数组中，再进行序列求和。

然后我们定义一个辅助函数MakeSequence，用来创建一个整数序列。


template<int... values>
auto MakeSequence(IntegerSequence<values...>) {
  return IntegerSequence<values...>();
}
template<int N, int... values>
auto MakeSequence(IntegerSequence<values...> seq) {
  return MakeSequence(seq, seq.sum(), N);
}
template<int... values>
auto MakeSequence(IntegerSequence<values...>, int sum, int N) {
  if constexpr (N == 0) {
    return IntegerSequence<values...>();
  } else {
    return MakeSequence(IntegerSequence<values..., sum>(), sum + N - 1, N - 1);
  }
}

这里我们使用了递归和constexpr，根据序列长度N和前一次计算的总和值sum，从而实现了生成整数序列的功能。

最终，我们就可以通过以下代码来计算一个数值序列的总和：


using Seq = decltype(MakeSequence(std::declval<IntegerSequence<>>(), 0, 10));
std::cout << Seq::sum() << std::endl;

这里我们首先使用std::declval获取一个空的整数序列，然后再调用MakeSequence函数生成一个长度为10的整数序列，最后通过Seq::sum()来计算总和。

通过这个例子，我们可以看出C++模板元编程的潜力，它可以让我们在编译期获得更多的优化和检查，同时也可以用来构建更加高级的程序逻辑，是值得探索的一个前沿领域。

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