C++元编程语言初步入门详解

目录

• 模板
• 泛型初步
• 函数模板
• 友元
• 模板参数
• 元编程的基本概念
• 可变参数模板

模板

由于模板元编程需要以面向对象为基础，所以如有疑问之处可以先补充一点C++面向对象的知识：

C++面向对象这一篇就够了

泛型初步

由于C++是静态强类型语言，所以变量一经创建，则类型不得更改。如果我们希望创建一种应用广泛地复数类型，那么相应地需要基于int、float、double这些基础类型逐一创建，十分麻烦。泛型编程便是为了简化这一过程而生。

能够容纳不同数据类型作为成员的类被成为模板类，其基本方法为在类声明的上面加上一行模板声明代码

template<typename T>，下一行为class myClass，其调用过程为myClass<T> m。

列举案例如下

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename C>
struct Abstract{
    C real;         //real为C类型
    C im;
    Abstract(C inReal, C inIm){
        real = inReal;
        im = inIm;
    }
    void printVal(){
        cout<<"Abstract:"<<real<<"+"<<im<<"i"<<endl;
    };
    Abstract& multi(Abstract val){
        C temp = real*val.real - im*val.im;
        im = real*val.real + im*val.im;
        real = temp;
        return *this;
    };
};
int main(){
    Abstract<float> fTemp{1,2};//C类型为float
    fTemp.multi(fTemp);
    fTemp.printVal();
    system("pause");
    return 0;
}

函数模板

当然，上述multi并不能实现两个不同类型的Abstract之间的相乘，所以可以将multi函数改为

    template<typename T>
    Abstract<C>& multi(Abstract<T> val){
        C temp = real*val.real - im*val.im;
        im = real*val.real + im*val.im;
        real = temp;
        return *this;
    }

这样就能够实现如下功能。

int main(){
    Abstract<float> fTemp{1,2};
    Abstract<int> iTemp{1,2};
    fTemp.multi(iTemp);
    fTemp.printVal();
    getReal(fTemp);
    system("pause");
    return 0;
}

友元

模板类具备一部分普通类的性质，比如struct和class的区别，public、protected、private的性质，以及友元等。模板的声明特性也可以应用在函数中，例如

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename C>
class Abstract{
    C real;
    C im;
public:
    Abstract(C inReal, C inIm){
        real = inReal;
        im = inIm;
    }
    void printVal(){
        cout<<"Abstract:"<<real<<"+"<<im<<"i"<<endl;
    };
    Abstract& multi(Abstract val){
        C temp = real*val.real - im*val.im;
        im = real*val.real + im*val.im;
        real = temp;
        return *this;
    }
    template<typename T> friend void getReal(Abstract<T> num);  //声明友元
};
template<typename C>
void getReal(Abstract<C> num){
    cout<<num.real<<endl;
}
int main(){
    Abstract<float> fTemp{1,2};
    fTemp.multi(fTemp);
    fTemp.printVal();
    getReal(fTemp);
    system("pause");
    return 0;
}

需要注意的一点是，在模板类中声明友元，其前缀<typename T>中的类型标识不得与已有的类型标识重复，否则编译无法通过。

由于函数模板可以针对不同的数据类型进行求解操作，是对函数或者方法实例的抽象，所以又被称为算法。

模板参数

如果将模板理解为一种类型声明的函数，那么模板也应该具备一些函数具备的功能。首先其模板参数中可以包含实际类型参数，例如

template<typename T, int max>
class Test{}

其调用时可以写为

Test<int,256> pixel;

模板同样支持默认参数，即可以实现如下形式

template<typename T=int, int max=256>
class Test{}
Test pixle;

除了数据类型、值之外，模板本身也可以作为模板参数，例如下面的形式是合法的。

template<typename T, template<typename> class C>
struct Test{
    C<T>* val;
    Test(C<T>* inVal){
        val = inVal;
    }
};
int main(){
    Abstract<int> fTemp{1,2};
    Test<int,Abstract> test(&fTemp);
    test.val->printVal();
    system("pause");
    return 0;
}

其结果为

PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
Abstract:1+2i
请按任意键继续. . .

需要注意的一点是，在模板类中定义的模板类，需要进行实例化，否则会出现错误，所以在Test中，以指针形式创建了模板类。

类型函数

以数据类型为输入或输出的函数即为类型函数，在C语言中，sizeof便是一种类型函数，其输入为数据类型，输出为数据类型所需要的内存空间。

在C++11中，using可以实现数据类型赋予的功能，其使用方法与typedef相似

template<typename T>
struct Test{
    using type = T;
}

元编程的基本概念

元编程是泛型编程的一个超集，两者的本质均是针对不同数据类型的算法，后者则更关注传入参数的广泛性。如果将元编程分为四个层次

• 无计算
• 运算符连接的运算
• 编译时具备选择等非递归计算
• 编译时具备递归运算

那么泛型编程可以作为第一类元编程，或者说更加关注的是参数的传入传出过程，而元编程则更关注不同数据类型的选择过程。

例如，我们可以实现一个最多包含三个元素的元组Tuple，其思路为，三元元素可以看成是一个二元元组与一个参数的组合；二元元组可以看成是一元元组与参数的组合；一元元组则是一个基本数据类型的变量。在这个元组的实现过程中，除了赋值过程实现泛型之外，也需要判断当前所实现的元组元素个数，如果其初始化参量为3个时，需要递归式地创建变量，直到赋值参数为1个。则其实现如下

class Nil{};
//主模板
template<typename T1=Nil, typename T2=Nil, typename T3=Nil>
struct Tuple : Tuple<T2,T3>{
    T1 x;
    using Base = Tuple<T2,T3>;      //三元元组以二元元组为基础
    //返回值为Tuple<T2,T3>指针类型的base()函数
    //static_cast将this转化为Base*类型
    Base* base(){return static_cast<Base*>(this);}
    const Base* base() const {return static_cast<const Base*>(this);}
    //构造函数继承二元元组，在构造本类中x的同时，构造基类Tuple<T2,T3>
    Tuple(const T1& t1, const T2& t2, const T3& t3)
        :Base{t2,t3},x{t1}{}
};
template<typename T1>
struct Tuple<T1>{
    T1 x;
};
template<typename T1, typename T2>
struct Tuple<T1,T2> : Tuple<T2>{
    T1 x;
    using Base = Tuple<T2>;
    Base* base(){return static_cast<const Base*>(this);}
    const Base* base() const {return static_cast<const Base*>(this);}
    Tuple(const T1& t1,const T2& t2):Base{t2}, x{t1}{}
};
template<typename T1, typename T2, typename T3>
void print_elements(ostream& os, const Tuple<T1,T2,T3>& t){
    os<<t.x<<",";
    print_elements(os,*t.base());
}
template<typename T1, typename T2>
void print_elements(ostream& os, const Tuple<T1,T2>& t){
    os<<t.x<<",";
    print_elements(os,*t.base());
}
template<typename T1>
void print_elements(ostream& os, const Tuple<T1>& t){
    os<<t.x;
}
//运算符重载
template<typename T1, typename T2, typename T3>
ostream& operator<<(ostream& os, const Tuple<T1,T2,T3>& t){
    os<<"{";
    print_elements(os,t);
    os<<"}";
    return os;
}
int main(){
    Tuple<int,double,char> x{1,2.5,'a'};
    cout<<x<<endl;
    system("pause");
    return 0;
}

其输出结果为

PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{1,2.5,a}

可变参数模板

上述实现过程非常繁琐，而且限制了元组中的元素个数，如果标准库中用上述的书写风格，那么标准库除了这个元组之外也写不了其他的东西了。好在C++模板提供了可变参数的功能，例如，我们可以先将打印模板函数写为

//typename... T 代表可变参数
template<typename T1, typename... T>
void print_elements(ostream& os, const Tuple<T1,T...>& t){
    os<<t.x<<",";
    print_elements(os,*t.base());
}
template<typename T1>
void print_elements(ostream& os, const Tuple<T1>& t){
    os<<t.x;
}
template<typename... T>
ostream& operator<<(ostream& os, const Tuple<T...>& t){
    os<<"{";
    print_elements(os,t);
    os<<"}";
    return os;
}

其输出结果为

PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{1,2.5,a}
请按任意键继续. . .

然后将Tuple也做相同的更改

template<typename T1, typename... T>
struct Tuple : Tuple<T...>{
    T1 x;
    using Base = Tuple<T...>;      //N+1元元组以N元元组为基
    Base* base(){return static_cast<Base*>(this);}
    const Base* base() const {return static_cast<const Base*>(this);}
    //注意T&...的书写格式
    Tuple(const T1& t1, const T&... t):Base{t...},x{t1}{}
};
template<typename T>
struct Tuple<T>{
    T x;
};
/*
    print模板
*/
int main(){
    Tuple<string, double,int,char> tt("hello",1.5,1,'a');
    cout<<tt<<endl;
    system("pause");
    return 0;
}

其输出结果为

PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{hello,1.5,1,a}

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