【摘 ?要】結(jié)合實(shí)例介紹了C++11中模板的語(yǔ)法規(guī)則，包括函數(shù)模板、類(lèi)模板以及函數(shù)和類(lèi)模板的特化，隨后對(duì)模板在元編程領(lǐng)域進(jìn)行了討論，并總結(jié)了元編程的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】C++;元編程;程序設(shè)計(jì);

引言

C++模板是支持參數(shù)化多態(tài)的工具，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中如std：：vector，std：：list等都是模板，可以支持多種類(lèi)型，用來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用。C++中模板分為兩類(lèi)：函數(shù)（function）模板和類(lèi)（class）模板[1]。模板元編程是這兩種模板演變而來(lái)的一項(xiàng)較為高級(jí)的編程技巧，Alexandrescu在2001年發(fā)表的《Modern C++ Design》[2]及模板程序庫(kù)Loki[3]間接地導(dǎo)致了模板元編程庫(kù)的出現(xiàn)，書(shū)中所使用泛型組件等方法令人眼前一亮，由此模板元編程進(jìn)入人們的視線。本文先介紹了函數(shù)模板和類(lèi)模板，然后討論了模板元編程。

函數(shù)模板

函數(shù)模板可以定義一類(lèi)的函數(shù)，這樣可以讓重復(fù)的操作通過(guò)抽象聚集到一個(gè)函數(shù)，減少代碼量。函數(shù)模板的語(yǔ)法如下：

template <模板參數(shù)列表> 函數(shù)聲明

其中模板參數(shù)列表可以是類(lèi)型，也可以是整型參數(shù)，而函數(shù)聲明跟一般的函數(shù)聲明一致，不過(guò)函數(shù)的返回值和參數(shù)列表的類(lèi)型可以是模板參數(shù)列表中聲明的類(lèi)型。下面是一個(gè)相同類(lèi)型相加的函數(shù)Add：

template <typename T>

auto Add（T a，T b） -> decltype（a + b）{

return a + b;

}

對(duì)于這樣的實(shí)現(xiàn)，我們可以這樣調(diào)用：

std：：cout << Add（10，10）<< std：：endl;

對(duì)于函數(shù)模板，編譯器會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展已經(jīng)實(shí)列化的模板。上述例子，編譯器會(huì)自動(dòng)生int Add（int a，int b）函數(shù)。

上述例子表明：函數(shù)模板是一系列函數(shù)的抽象，形參可以是允許的任意類(lèi)型，使用相同函數(shù)模板可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的相同運(yùn)算操作。

類(lèi)模板

類(lèi)模板的語(yǔ)法如下：

template <模板參數(shù)列表> 類(lèi)的聲明

模板參數(shù)列表與函數(shù)模板相同，類(lèi)的成員以及類(lèi)的成員函數(shù)可以使用模板參數(shù)列表聲明的類(lèi)型和常量，類(lèi)的成員函數(shù)也可以是函數(shù)模板。我們可以借助類(lèi)模板來(lái)實(shí)現(xiàn)單例設(shè)計(jì)模式，代碼如下：

template <class T>

class Singleton {

protected：

Singleton（）{}

～Singleton（）{}

public：

static T& Instance（）{

static T gInstance;

return gInstance;

}

};

使用時(shí)只需要繼承這個(gè)類(lèi)，就不需要重復(fù)實(shí)現(xiàn)Instance方法了，有效地復(fù)用了代碼。

模板元編程

基于函數(shù)模板和類(lèi)模板，人們提出了模板元編程的編程方法。模版元編程完全不同于一般C++的運(yùn)行期程序，它非常獨(dú)特。這是因?yàn)槟０嬖绦虻膱?zhí)行時(shí)期是在編譯期，且模版元程序操縱的數(shù)據(jù)不能是運(yùn)行時(shí)變量，只能是編譯期不可修改的常量，外加它可以用到的語(yǔ)法元素相當(dāng)有限，無(wú)法使用運(yùn)行期的某些語(yǔ)法，比如if-else邏輯分支，for循環(huán)語(yǔ)句等都不能用來(lái)進(jìn)行模板元編程。因此，模版元編程需要多項(xiàng)技巧來(lái)配合，導(dǎo)致編寫(xiě)模版元編程比較復(fù)雜也比較困難。下面我們使用模板元編程來(lái)實(shí)現(xiàn)整數(shù)的求和：

template <int...> struct Sum;

template <int A> struct Sum<A> {

static constexpr int value = A;

};

template <int A，int B> struct Sum<A，B> {

static constexpr int value = A + B;

};

template <int A，int B，int...Args> struct Sum<A，B，Args...> {

static constexpr int value = Sum<A，B>：：value + Sum<Args...>：：value;

};

上述例子通過(guò)VS2019的編譯。使用方法如下：

std：：cout << Sum<1，2>（）<< std：：endl;// print 3

std：：cout << Sum<1，2，3，4，5>（）<< std：：endl;// print 15

但是這樣使用：

int a = 1，b = 2;

std：：cout << Sum<a，b>（）<< std：：endl;

會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。因?yàn)槟０迨蔷幾g時(shí)期確定的，不能像函數(shù)一樣可以傳入變量，它只能是常量?？梢园l(fā)現(xiàn)：模板元編程只操作在編譯期可以確定的量，編程思維跟普通C++程序開(kāi)發(fā)有很大的區(qū)別，而且語(yǔ)法較為繁瑣;由于元編程在大數(shù)情況下，用到了遞歸，而元編程又是在編譯期確定的，這樣會(huì)拉長(zhǎng)程序的編譯時(shí)間;在C++11中，編譯器對(duì)模板的錯(cuò)誤提示并不友好，這樣會(huì)導(dǎo)致元編程在調(diào)試方面有極大的障礙。但是模板元編程得到的計(jì)算可以說(shuō)是一個(gè)常量，理論上無(wú)論其復(fù)雜度多大，在運(yùn)行時(shí)去訪問(wèn)，其復(fù)雜度為O（1），同時(shí)也能在一定程度上減少程序發(fā)布大小。

總結(jié)

因?yàn)槟０迨欠夯艘幌盗蓄?lèi)型的相同操作，這樣比不用模板，更能有效的復(fù)用代碼，減少代碼量。而在C++11中，模板元編程在編譯期就能確定計(jì)算結(jié)果，但會(huì)增加編譯時(shí)間，以及調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)，在應(yīng)用模板編程時(shí)，需要全面權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙娟.模板在C++中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019（20）.

[2] Andrei Alexandrescu.Modern C++ Design[M].US：Addison-Wesley Professional，2002

[3] Andrei Alexandrescu.”Loki Library” [OL]http：//loki-lib.sourceforge.net/

作者簡(jiǎn)介：

方言（1995年-），湖南人，寧夏大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向。

（作者單位：寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院）