模板元编程

#模板元编程 2025-03-16

参考内容

元程序是在编译期由编译器直接解析并执行的。

在编译期，编译器只能做整数值计算和类型计算，这就导致了元程序的代码结构和我们熟知的代码结构（运行时代码结构）有很大区别。

编译期计算：所有计算在编译时完成，运行时无额外开销。
递归实现逻辑：由于模板缺乏变量和循环，依赖递归和模板特化进行计算。
类型萃取：可用于类型推导、类型转换及静态检查。

template<int N>
struct Fibonacci {
  static constexpr int num = Fibonacci<N - 1>::num + Fibonacci<N - 2>::num;
};

template<>
struct Fibonacci<0> {
  static constexpr int num = 0;
};

template<>
struct Fibonacci<1> {
  static constexpr int num = 1;
};

查看汇编，可以看到值已经求出来：

这是一道利用模板元编程编译期计算出斐波那契数的例子，解读如下：

在模板元编程中，我们通常使用 struct 而不是 class。但是并没有硬性规定不能用 class，只要手动加上 public，class 也能实现相同的功能
变量是静态的（static），方便后面能够通过::访问到，如：Fibonacci<N - 1>::num
得加上 constexpr 或 const 属性才能让你编译期间计算，但建议统一使用 constexpr
由于模板缺乏变量和循环，依赖递归和模板特化进行计算。既然是递归，那就得有终止条件，因此得全特化原模板，实现终止条件

我们也可以正常写斐波那契函数，然后用 constexpr 修饰函数返回值，达到编译期计算的目的：

constexpr int fn(int N) {
	if (N == 0) return 0;
	if (N == 1) return 1;
	return fn(N - 1) + fn(N - 2);
}

但如果你是在 C++11 这样写就会报错（C++11 constexpr 不允许递归），但是 C++14 往上没有问题，随着版本的提高，constexpr 的能力或者自由会越多。

C++17 将 constexpr 这个关键字引入到 if 语句中，允许在代码中声明常量表达式的判断条件：

#include <iostream>
#include <type_traits>

template<typename T>
auto print_type_info(const T& t) {
    if constexpr (std::is_integral<T>::value) {  // 编译期判断是否是整数
        return t + 1;
    } else {
        return t + 0.001;
    }
}

如果你按照下面的方式调用：

int main() {
    std::cout << print_type_info(5) << std::endl;     // 整数，返回 6
    std::cout << print_type_info(3.14) << std::endl;  // 浮点数，返回 3.141
}

编译期间，代码表现为：

int print_type_info(const int& t) {
	return t + 1;
}
double print_type_info(const double& t) {
	return t + 0.001;
}
int main() {
	std::cout << print_type_info(5) << std::endl;
	std::cout << print_type_info(3.14) << std::endl;
}

if constexpr 是 C++17 新增的 编译期分支判断，其主要作用是：

在编译期决定是否编译某个代码分支。
不会编译无效的分支，避免编译错误。

如果所有分支都走不通的话，就会报错，不会编译通过。

constexpr 结合 std::array（编译期缓存）:

constexpr std::array<int, 11> fibonacci_table = [] {
    std::array<int, 11> arr{};
    arr[0] = 0;
    arr[1] = 1;
    for (int i = 2; i < 11; ++i) {
        arr[i] = arr[i - 1] + arr[i - 2];
    }
    return arr;
}();

int main() {
    constexpr int num = fibonacci_table[10];  // 编译期查表
    std::cout << num << std::endl;
    return 0;
}

参考内容

C++模板元编程