C++98元編程技術(shù)解析

人們往往會(huì)將一個(gè)大問(wèn)題拆解成許多小問(wèn)題，通過(guò)解決一個(gè)個(gè)小問(wèn)題，最終就能解決整個(gè)大問(wèn)題。

若是拆解過(guò)后，這些小問(wèn)題的處理邏輯不變，變化的只是輸入狀態(tài)，那么此時(shí)就是一種代碼復(fù)用。對(duì)應(yīng)編程世界，一種是自上而下的拆解組合方式，稱(chēng)為遞歸；一種是自下而上的拆解組合方式，稱(chēng)為迭代。

拆解后還能組合，拆解才有意義，遞歸和迭代本身就帶有一種約束，必須具備起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。若是沒(méi)有起始狀態(tài)，遞歸就沒(méi)有起點(diǎn)，循環(huán)就沒(méi)有開(kāi)始；若是沒(méi)有終止?fàn)顟B(tài)，遞歸就沒(méi)有終點(diǎn)，循環(huán)就沒(méi)有結(jié)束，

本文所說(shuō)的元編程拆解技術(shù)，就是編譯期的問(wèn)題拆解與組合技術(shù)，編譯期不像運(yùn)行期那樣能夠動(dòng)態(tài)地改變輸入與輸出狀態(tài)，C++ 誕生了許多技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這便是后文要介紹的。

本文以一個(gè)需求為例，來(lái)講解這些技術(shù)：

要求編寫(xiě)一個(gè) unroll(callback) 函數(shù)，該函數(shù)將調(diào)用 N 次傳入的 callback 函數(shù)。

起始狀態(tài)就是 N，終止?fàn)顟B(tài)就是 N 為零，拆解后處理邏輯不變的小問(wèn)題就是 callback。

先不看文，你首先想到的是什么解法？文讀畢，對(duì)比一下文中的各種拆解技術(shù)思路，獲益更多。

原始遞歸法

模板元編程最開(kāi)始就只支持遞歸這一種拆解方式，每次輸入一個(gè)狀態(tài)，依次產(chǎn)生下一個(gè)狀態(tài)，若狀態(tài)與遞歸終止?fàn)顟B(tài)相同，則結(jié)束。

采用這種方式，實(shí)現(xiàn)需求如下：

?

 1namespace?cpp98?{
 2
 3????//?declaration
 4????template??void?unroll(F);
 5
 6????template?
 7????struct?unroll_helper?{
 8????????void?operator()(F?f)?{
 9????????????f();
10????????????unroll(f);
11????????}
12????};
13
14????//?terminated?state
15????template?
16????struct?unroll_helper<0,?F>?{
17????????void?operator()(F)?{}
18????};
19
20????//?definition
21????template?
22????void?unroll(F?f)?{
23????????unroll_helper()(f);
24????}
25
26????void?print_cpp98()?{
27????????std::puts("hello?cpp98");
28????}
29}
30
31int?main()?{
32????cpp98::unroll<2>(cpp98::print_cpp98);
33????//?output:
34????//?hello?cpp98
35????//?hello?cpp98
36}

?

由于函數(shù)模板不支持偏特化，于是需要借助一個(gè) unroll_helper 類(lèi)模板，來(lái)實(shí)現(xiàn)遞歸終止條件，再在 unroll 函數(shù)中調(diào)用該幫助類(lèi)，不斷拆解問(wèn)題。

遞歸輸入條件 N 為起始狀態(tài)，每次拆解執(zhí)行完成之后，通過(guò) N - 1 得到下一個(gè)狀態(tài)，從而不斷解決問(wèn)題。

這個(gè)時(shí)期，C++ 的元編程拆解技術(shù)還很弱，一個(gè)簡(jiǎn)單的需求，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也頗為繁瑣。

可變參數(shù)模板

時(shí)間來(lái)到 C++11，模板元編程迎來(lái)強(qiáng)大擴(kuò)展，非常有用的一個(gè)新特性就是可變參數(shù)模板，它能夠讓我們擺脫遞歸這種原始拆解方式。

但是 C++11 還只是開(kāi)始，基礎(chǔ)組件不完善，所以并不能非常有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

什么意思呢？看如下這個(gè)不太完善的實(shí)現(xiàn)：

?

 1namespace?cpp11?{
 2
 3????template?
 4????class?index_sequence?{};
 5
 6????template?
 7????void?unroll(F?f,?index_sequence)?{
 8????????using?expand?=?std::size_t[];
 9????????expand{?(f(),?Is)...?};
10????}
11
12}
13
14
15int?main()?{
16????cpp11::unroll([]?{?std::puts("hello?cpp11");?},
17????????cpp11::index_sequence<2,?1>());
18}

?

原始遞歸法是采用不斷遞歸來(lái)動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生狀態(tài)，而有了可變參數(shù)模板，狀態(tài)可以直接在編譯期初期產(chǎn)生，從而直接拿來(lái)用就可以。

這里定義了一個(gè) index_sequence 用來(lái)接收所有狀態(tài)，然后借助一些逗號(hào)表達(dá)式技巧展開(kāi)參數(shù)包，在參數(shù)包展開(kāi)的過(guò)程當(dāng)中，執(zhí)行處理邏輯。

C++11 起也支持 Lambda，因此也不用再提供一個(gè)額外的調(diào)用函數(shù)。

這個(gè)實(shí)現(xiàn)的唯一缺點(diǎn)就是由于缺乏相應(yīng)的組件，需要手動(dòng)產(chǎn)生狀態(tài)，導(dǎo)致使用起來(lái)較為麻煩。

完善版可變參數(shù)模板

C++14 增加了 std::index_sequence 和 std::make_index_sequence，于是就能將手動(dòng)產(chǎn)生狀態(tài)變成動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，完善實(shí)現(xiàn)。

代碼如下：

?

 1namespace?cpp14?{
 2
 3????template?
 4????void?helper(F?f,?std::index_sequence)?{
 5????????using?expand?=?std::size_t[];
 6????????expand{?(f(),?Is)...?};
 7????}
 8
 9????//?variable?template
10????template?
11????auto?unroll?=?[](auto?f)?{?//?generic?lambda
12????????helper(f,?std::make_index_sequence{});
13????};
14}
15
16int?main()?{
17????cpp14::unroll<3>([]?{?std::puts("hello?cpp14");?});
18}

?

同時(shí)，C++14 還支持 variable template 和 generic lambda，這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)。

Fold Expression

前面的方式是采用逗號(hào)表達(dá)式技巧來(lái)展開(kāi)參數(shù)包，C++17 支持 Fold expression，可以直接展開(kāi)，因此代碼得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

變成：

?

 1namespace?cpp17?{
 2
 3????template?
 4????void?helper(F?f,?std::index_sequence)?{
 5????????((f(),?Is),?...);?//?fold?expression
 6????}
 7
 8????template?
 9????auto?unroll?=?[](auto?f)?{?//?generic?lambda
10????????helper(f,?std::make_index_sequence{});
11????};
12}

?

constexpr if

C++17 的另一種拆解技術(shù)是借助 constexpr if，它的好處在于能夠直接在本函數(shù)內(nèi)判斷終止?fàn)顟B(tài)，這樣就不再需要去定義一個(gè)遞歸終止函數(shù)。

?

 1namespace?cpp17?{
 2????//?variable?template?+?constexpr?if
 3????template?
 4????auto?unroll?=?[](auto?expr)?{
 5????????if?constexpr?(N)?{
 6????????????expr();
 7????????????unroll(expr);
 8????????}
 9????};
10}
11
12int?main()?{
13????cpp17::unroll<3>([]?{?std::puts("hello?cpp17");?});
14}

?

與原始遞歸法相比，這種方式除了消除遞歸終止函數(shù)，還免于編寫(xiě)一個(gè)額外的 helper 類(lèi)，generic lambda 更是減少了模板參數(shù)。

這是目前為止，最簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)。

C++20 雙層 Lambda 法

有沒(méi)有非遞歸的簡(jiǎn)潔拆解方式呢？當(dāng)然也有。

看如下實(shí)現(xiàn)：

?

 1namespace?cpp20?{
 2
 3????template??constexpr?auto?unroll?=?[](auto?f)?{
 4????????[f](std::index_sequence)?{
 5????????????((f(),?void(Is)),?...);
 6????????}(std::make_index_sequence());
 7????};
 8}
 9
10int?main()?{
11????cpp20::unroll<3>([]?{?std::puts("hello?cpp20");?});
12}

?

這里的關(guān)鍵是 C++20 的 template lambda，它支持為 lambda 編寫(xiě)模板參數(shù)，基于此才能夠編寫(xiě)索引的模板參數(shù)。

Lambda 函數(shù)里面再套一個(gè) Lambda 函數(shù)，外層用于提供調(diào)用接口，內(nèi)層用于管理狀態(tài)和處理調(diào)用。如果沒(méi)有 template lambda，內(nèi)層 Lambda 的 std::index_sequence 參數(shù)就無(wú)法寫(xiě)，也就接收不了狀態(tài)。、

Structured Binding Packs

原本有些新特性是應(yīng)該在 C++23 就進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的，但由于種種原因，我們只有期望 C++26 能用上了。Structured binding packs 就是這么一個(gè)特性。

前面除了遞歸以外的所有拆解方法，都得借助 std::index_sequence，這就是代碼依舊復(fù)雜的原因所在。

有沒(méi)有一種方式可以直接讓我們?cè)L問(wèn)參數(shù)包，而不必再定義一個(gè)參數(shù)為 std::index_sequence 的函數(shù)才能拿到那些參數(shù)包？Structured binding packs 就提供了這一能力。

這是 P1061 所提出的一種方式，讓我們能夠通過(guò) Structured bindings 直接得到參數(shù)包。

于是實(shí)現(xiàn)變?yōu)椋?/p>

?

 1namespace?p1061?{
 2
 3????template??constexpr?auto?unroll?=?[](auto?f)?{
 4????????auto?[...?Is]?=?std::make_index_sequence();
 5????????((f(),?void(Is)),?...);
 6????};
 7
 8}
 9
10int?main()?{
11????p1061::unroll<3>([]?{?std::puts("hello?p1061");?});
12}

?

這種拆解技術(shù)才是最直觀的方式，兩行代碼解決一切。

Expansion Statements

另外一種方式就是我們?cè)诜瓷渲薪?jīng)常使用到的一個(gè)特性：template for。

這種方式比 Structured Binding Packs 更強(qiáng)大，是靜態(tài)反射里面的一個(gè)擴(kuò)展特性，能夠支持編譯期迭代。

對(duì)于本次需求的實(shí)現(xiàn)為：

?

 1namespace?p1306?{
 2????template??constexpr?auto?unroll?=?[](auto?f)?{
 3????????constexpr?std::array?dummy{};
 4????????template?for?(auto&?e?:?dummy)
 5????????????f();
 6????};
 7}
 8
 9int?main()?{
10????p1306::unroll<3>([]?{?std::puts("hello?p1306");?});
11}

?

這里借助了 std::array，構(gòu)建了一個(gè)并不會(huì)實(shí)際使用的變量，目的是為了當(dāng)作遍歷次數(shù)。

總結(jié)

本文從 C++98 開(kāi)始介紹了許多拆解技術(shù)，在不斷的優(yōu)化過(guò)程中，也能夠看到 C++ 的發(fā)展歷程。

由最原始的復(fù)雜、難用，到最后的兩行代碼搞定，也能夠看到 C++ 元編程的發(fā)展。

利用好這些技術(shù)，對(duì)大家的元編程能力會(huì)有顯著提高。

　　審核編輯：湯梓紅