C++ 模板元编程笔记

PREFACE

参考书籍 Reference Book:

• C++ Templates: The Complete Guide 2nd Edition

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Copyright: WRITTEN BY RYKER ZHU in Shanghai under CC BY-NC-SA

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本笔记为中英双语，在没有合适的中文对应翻译时，会直接保留英文原名，不便之处敬请谅解。

除有特殊说明的外，所有以粗斜体标出的皆为概念、以粗体标出的为关键点或者小节标题。文中所有代码皆使用 Apache License 2.0 协议授权。

2023年 夏
于上海
祝禾 著

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The Basics

Function Templates

编译模板需要经过两个阶段：

1. 定义阶段 (Definition Time)，在该阶段会在忽略掉模板参数的前提下检查错误，也就是和模板参数无关的错误；
2. 实例化阶段 (Instantiation Time)，在该阶段经过模板实例化之后，会进行全面错误检查。

Class Templates

Nontype Template Parameters

Variadic Templates

Tricky Basics

Move Semantics and enable_if<>

C++11 起引入了移动语义 (Move Semantics) 这一特性，利用这个特性可以避免在调用拷贝构造函数时，其深度拷贝引发的时间和空间开销问题。

一类应用移动语义特性的典型如下：

class Object {
public:
    // Move Semantics
    Object(Object&& another) {
        this->data = another.data;
        another.data = nullptr;
    }

    ~Object() { delete data; }

private:
    void* data;
};

在上述代码中 another 这个形参是右值引用 Object && 的形式，“移动” 所做的就是将传入的右值的字段 data 移为己有；为了保证调用析构函数 ~Object() 时，data 指向的对象不会被析构两次（右值引用的值在表达式语句结束之后就会马上被析构），所以将数据偷过来之后还需要把原本右值的字段变成空指针，这样析构空指针就不会引发错误了。

简而言之，移动语义就只干了两件事：

1. 将右值的字段移为己用；
2. 置空右值字段。

由于本质上只是传递了指针，其时间和空间开销近乎可以忽略不计，相比深度拷贝来说，所需的代价小了不少。

Perfect Forwarding

完美转发 (Perfect Forwarding)，一言以蔽之，就是确保参数在传递过程中，原有的属性限定符保持不变。

少说废话，直接上代码：

void operation(const Type& value) {
    std::cout << "const Type&\t\t" << value << std::endl;
}

void operation(Type& value) {
    std::cout << "Type&\t\t" << value << std::endl;
}

void operation(Type&& value) {
    std::cout << "Type&\t\t" << value << std::endl;
}

// Forwarding
void forward(const Type& value) {
    operation(value);
}

void forward(Type& value) {
    operation(value);
}

void forward(Type&& value) {
    operation(std::move(value));
}

在上述代码中，定义了两个函数（只看函数名而不是函数签名的话）operation 以及 forward，后者仅仅是将参数原封不动地传给前者。需要注意的是 forward 的第三个函数重载，这里用了 std::move 函数，作用是将左值转换成右值，因为虽然其看上去是右值引用 Type&&，但实际上是 Type& 这个左值。

如果要用函数模板来实现的话虽然可以写成这个形式：

template<typename T>
void forward(T value) {
    operation(value);
}

但是对于右值引用却没法很好地转发，因此 C++11 起可以写成以下形式以同时支持上述三种参数类型：

template<typename T>
void forward(T&& value) {
    operation(std::forward<T>(value));
}

上面的 T&& 称为转发引用 (forwarding reference, C++17 标准规定的术语) 或者是 万能引用 (universal reference)，但是需要注意，这里的 T 是待推导的类型而不是具体的类型，比如 int&& 就不是转发引用。

Compile-Time Programming

Basic Template Terminology

Generic Libraries

Templates in Depth

Templates and Design