模板元编程：C++的黑魔法
关于模板与泛型
如果你曾经使用过template，那你一定对泛型编程有过了解，你可能在java和c#中使用过泛型代码，但是，需要注意的是，C++的泛型和java，C#一类的泛型有着根本性的不同，C++ 的泛型有个更适合的名字，叫做编译期多态，是的，C++的泛型本质上是一种多态。
怎么理解这个编译期多态？举个例子，假如你有一个template function 的定义如下
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template<typename T>
const T& max(const T& a, const T& b){
return a > b ? a : b;
};
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并且假设你是这样使用它的
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int main() {
float af = 0.f;
float bf = 0.3f;
int ai = 0;
int bi = 1;
std::cout << max(af, bf) << std::endl;
std::cout << max(ai, bi) << std::endl;
return 0;
}
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很明显，结果是0.3和0，你使用Java做上面这些事情也会得到同样的结果。但是在编译期两者做的事情是不一样的：
- C++编译器会把所有用到的template全部展开一遍，生成多份代码。在上面这个例子中，template展开为参数分别为 float 和 int 的两个函数，由运行时参数决定运行哪个函数。
- Java编译器则会对所有用到的类型执行擦除，也就是说会把所有带类型的引用向上转型到Object，并且在运行期需要类型化时强制转换为对应类型
注意到Java泛型实现中的装箱和拆箱过程了吗？毫无疑问这会有不小的效率损失。而C++可以避免这一点。更重要的是，C++ 的泛型实现机制赋予了程序员一定的在编译期生成代码的能力(因此template这样的命名更确切一些)，有了这个，我们差不多就可以做一些事情了
tamplate 参数类型
有以下三种：
- 模板的类型形参 (type parameter)
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template<typename T>
template<class T>
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- 模板的非类型形参 (non-type parameter)
模板的非类型行参只有以下几种形式 + 整型或枚举型 + 到对象的指针或函数指针 + 到对象的引用或函数引用 + 成员指针
因此，以下几种代码都是可以接受的
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template<int a> struct A {};
template<int* b> struct B {};
template<void f(int)> struct C{};
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- 模板形参 (template template parameter)
模板行参的意思是模板里面可以是另一个模板，如
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template<template<typename T>> class X{};
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template 是图灵完备的
所谓的图灵完备指的是以下定义
(WikiPedia)
我们可以按照百度百科的定义下去理解
在可计算理论中，当一组数据操作的规则（一组指令集，编程语言，或者元胞自动机）满足任意数据按照一定的顺序可以计算出结果，被称为图灵完备（turing complete）
(百度百科)
一般来讲，如果一个东西能支持一个无限的递归过程，那么它就是图灵完备的，很显然，C++ template是如此特殊，它本身就是图灵完备的！
理解这一点并不困难，我们把 C++ template 看做是一个特殊的图灵机，它以未做template展开的C++远代码为输入，以不带template的C++源代码为输出，在这种意义下，你甚至可以认为 template是一种只运行在编译期的语言！
我们来看一个有趣的例子
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template<int i>
struct sum {
enum {
value = i + sum<i-1>::value
};
};
// 对i = 1特化
template<>
struct sum<0> {
enum{
value = 1
};
};
int main() {
std::cout << sum<20>::value << std::endl;
return 0;
}
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好，现在编译运行它，看输出了什么？
很简单，输出了211，它是 1+2+3+…+20的结果，而这个结果是编译期计算出来的！编译器在编译的时候把所有用到的template参数展开，在展开过程中 当模板实参是 i 的时候需要事先知道 i-1 的template，因此当给的实际参数是 20 的时候就会递归式的展开到 0，这样所需要的结果就在编译期算出来了，因此这是一种牺牲编译期性能来提高运行期性能的手段
关于C++模板的黑魔法还有很多，我们现在看到的只是冰山一角，著名的boost库就应用了大量这种技巧。不过在真正的工程上目前还用的不是很多，其缺点也是显然的：调试困难，错误信息不可读，编译时间大幅延长。
目前cpp 的 meta programming 还处在很多牛人的玩具的地位，不过能把运行期做的事情放到编译期，我相信这一特性还是非常吸引程序员的
