曹大有，盧中寧

(鄖陽師范高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)系，中國(guó)十堰 442000;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，中國(guó)鄭州 450002)

模板元編程(Metaprogramming)指的是高階編程，它運(yùn)行在編譯期.作為一種高階C++編程技術(shù)，C++強(qiáng)大的模板機(jī)制賦予了模板在編譯期的運(yùn)算能力，模板元編程突出了編譯期在整個(gè)程序構(gòu)建和運(yùn)行過程中的地位，努力將計(jì)算從運(yùn)行期提前至編譯期，它不但有效地防止程序錯(cuò)誤被傳播到運(yùn)行期，而且能夠?qū)崿F(xiàn)以靜態(tài)代碼控制動(dòng)態(tài)代碼的目標(biāo)，使計(jì)算盡可能完成于編譯期的同時(shí)也提高了最終程序的運(yùn)行性能.

MPL(Meta-Programming Library)是由David Abrahams 和Aleksey Gurtovoy 為方便模板元編程而開發(fā)的庫，2003年被Boost 吸納為其中的一員，此后又歷經(jīng)一些重大修改，目前已經(jīng)相當(dāng)完善.MPL 的出現(xiàn)是C++模板元編程發(fā)展中的一大創(chuàng)舉，它提供了一個(gè)通用、高層次的編程框架，包括了序列、迭代器、算法、元函數(shù)等組件，具有高度的可重用性，提高了模板元編程的效率，使模板元編程的應(yīng)用范圍得到相當(dāng)?shù)臄U(kuò)展.

C++模板元編程誕生于十多年前，最初的研究方向是編譯期數(shù)值計(jì)算，后來的實(shí)踐發(fā)展證明，此項(xiàng)技術(shù)在類型計(jì)算領(lǐng)域也可以釋放出巨大能量.現(xiàn)在模板元編程主要用處在于:數(shù)據(jù)計(jì)算、解開循環(huán)、類型處理和自動(dòng)代碼生成.類復(fù)合［1］就是一種自動(dòng)代碼生成技術(shù)，它通過通過模板元編程技術(shù)在C++的編譯期由指定的類型序列和細(xì)粒度的template parameters 來創(chuàng)建類結(jié)構(gòu)的編程技術(shù)，它的基本構(gòu)想是以類型序列作為代碼生成機(jī)制，驅(qū)動(dòng)編譯器為我們自動(dòng)生成代碼.但在對(duì)類型成員的訪問方法上，文［1］中提出了通過顯式的類型成員限定來訪問value 的方法，這里則提出通過索引確定類型成員，從而進(jìn)一步訪問類型成員value 的方法，解決了模棱兩可(歧義)的現(xiàn)象.

1 類復(fù)合的原理

1.1 類復(fù)合原理的介紹

類復(fù)合就是將類型序列中的每一個(gè)類型套用于一個(gè)由用戶提供的基本template parameters 身上.這樣就可以細(xì)粒度的步驟反復(fù)使用它來在程序的編譯期讓編譯器自動(dòng)創(chuàng)建類結(jié)構(gòu).

例如，為了生成一個(gè)struct，其成員具有由“一個(gè)類型序列給定的”類型，細(xì)粒度的template parameters 為:

這樣我們就可以應(yīng)用mpl 的fold 算法來構(gòu)建類結(jié)構(gòu).

生成一個(gè)generated 對(duì)象時(shí)，其類型結(jié)構(gòu)為:

上面展示的每一個(gè)store 特化都表示繼承結(jié)構(gòu)中的一層，它們分別包含一個(gè)成員，其類型為member_types 中的類型之一.層次結(jié)構(gòu)見圖1所示.

1.2 類復(fù)合中成員的訪問方式

實(shí)際上使用這種方式復(fù)合的類可能不是很好使用，除非它們被小心地加以創(chuàng)建.因?yàn)楸M管generated 對(duì)象實(shí)際上包含member_types 中的每一個(gè)類型成員，但它們?nèi)院茈y被訪問.最明顯的問題是它們都稱為value，除第一個(gè)外，我們無法直接訪問其他任何一個(gè)，因?yàn)槠溆嗟亩急焕^承結(jié)構(gòu)的層次(layers)掩蓋了.對(duì)于這種重復(fù)沒有任何辦法，這是在應(yīng)用類復(fù)合(class composition)時(shí)一個(gè)無法更改的實(shí)事，因?yàn)楸M管可以很容易地產(chǎn)生成員類型(member types)，但沒有什么辦法來使用模板產(chǎn)生成員名字(member names).

一般很難去訪問一個(gè)給定類型的value 成員，即便它轉(zhuǎn)換成一個(gè)適當(dāng)?shù)幕?，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)store 特化都派生于它的第二個(gè)參數(shù).這樣當(dāng)要訪問存儲(chǔ)在generated 中的long 的值時(shí)，必須用以下方式來訪問:

也就是說訪問store 的任何成員都需要知道原始序列中在它的類型之前的所有類型.一種簡(jiǎn)化是讓編譯器的函數(shù)實(shí)參推導(dǎo)(function argument deduction)機(jī)制做推斷基類鏈(base class chain)工作:

這樣對(duì)generated 中l(wèi)ong 值的訪問可以通過下方式來進(jìn)行:

long＆ y=get〈long〉(generated).value;

在上面語句中:get 的第一個(gè)模板實(shí)參被限制為long，從而有效的函數(shù)參數(shù)變?yōu)閟tore〈long，U〉const＆，它匹配包含一個(gè)long 成員的generated 基類.

1.3 成員訪問方式的缺點(diǎn)

這樣也有一個(gè)缺點(diǎn):當(dāng)member_types 中內(nèi)含重復(fù)類型時(shí)，就不能使用上面所提供的get 模板函數(shù)了.

看看下面這個(gè)member_types:

mpl::vector〈short［2］，long，long，char*，int〉member_types;

現(xiàn)在member_types 中有兩個(gè)long 類型.而同樣的類生成過程:

所生成的類generated 中也有兩個(gè)類型為long 的value 成員，其generated 類型為:

層次結(jié)構(gòu)見圖2所示.

圖1 generated 對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical chart of generated object

圖2 generated 對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchical chart of generated object

如果我們?cè)賹?duì)generated 對(duì)象調(diào)用:

long＆ y=get〈long〉(generated).value;

C++編譯器就會(huì)抱怨出現(xiàn)模棱兩可(歧義)情況，因?yàn)間enerated 最終繼承了store〈long，U〉兩次.編譯器不能確定我們要訪問的是哪一個(gè)long 的value 值.

所以需要一個(gè)“以索引選擇member_types 中類型”的get 模板方法，而非通過型別名稱.如果可以通過藉由member_types 中指定的位置求出每個(gè)類型成員，就可以克服上述模棱兩可(歧義)的現(xiàn)象.

2 類復(fù)合中成員訪問方式的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)方式的設(shè)想

根據(jù)前述get 模板方法的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)在的想法是用int n 來代替class T.那么我們就要在編譯期通過提供的int n 來確定出class T，通過Boost 的MPL 庫提供的元函數(shù)，這些設(shè)想是完全可以實(shí)現(xiàn)的.

2.2 設(shè)想的實(shí)現(xiàn)

首先通過int n 構(gòu)造出一個(gè)整型外覆器類型mpl::int_〈n〉.MPL 提供了一組外覆器模板，用于將整數(shù)值轉(zhuǎn)換成多態(tài)元數(shù)據(jù)，它的模板定義為:

這里之所以要將int n 轉(zhuǎn)換成mpl::int_〈n〉，是因?yàn)楹竺娴脑瘮?shù)指定要用元數(shù)據(jù).

然后通過元函數(shù)mpl::begin〈〉救出類型序列中第一個(gè)類型元素的前向迭代器，方法為:

mpl::begin〈member_types〉::type;

接著，通過元函數(shù)mpl::advance〈〉求出n 指定位置處類型的迭代器，方法為:

最后通過mpl::deref〈〉元函數(shù)求出n 指定位置處的類型即可，完整的元函數(shù)操作為:

當(dāng)然上面全部操作也可以通過元函數(shù)mpl::at〈〉來簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，即通過:

mpl::at〈member_types，mpl::int_〈n〉〉::type;

求出n 指定位置處類型.

注意上述的n 為正值，相對(duì)于mpl::vector 向量member_types 求出是前向值，但根據(jù)generated 的生成過程:

它是反序的，若要考慮反序那么全部元函數(shù)可變成:

有了上述討論，我們新的重載的get 模板方法就應(yīng)該為:

而mpl::at〈member_types，mpl::int_〈n〉〉::type 則是在程序的編譯期完成的.

2.3 實(shí)例應(yīng)用

那么對(duì)于mpl 的vector 序列:

mpl::vector〈short［2］，long，long，char*，int〉，以下方法調(diào)用則是求出第3 個(gè)類型long 的值:

get〈3〉(generated).value;

而get〈2〉(generated).value;

則是求出第2 個(gè)類型long 的值.注意:根據(jù)函數(shù)實(shí)參推導(dǎo)(function argument deduction)機(jī)制，我們可以根據(jù)int n 推導(dǎo)出typename mpl::at〈member_types，mpl::int_〈n〉〉::type，而generated 則用來確定class U.

即使這里出現(xiàn)了兩個(gè)long 類型，但根本不會(huì)出現(xiàn)模棱兩可(歧義)的現(xiàn)象，通過本文提供的get 徹底解決的類復(fù)合成員的訪問問題.

3 結(jié)束語

模板元編程是C++中一種高級(jí)編程技術(shù)，它處于編譯期，而類復(fù)合可以驅(qū)動(dòng)C++的編譯器在編譯期自動(dòng)生成所需的代碼，同時(shí)也將類型計(jì)算盡量提前至編譯期，減少了運(yùn)行期出錯(cuò)的機(jī)率，提高了最終程序運(yùn)行性能.本文通過以索引的方式來訪問類復(fù)合對(duì)象中的成員值，解決了歧義現(xiàn)象，解決的類復(fù)合成員中的value值的訪問問題.

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