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阿尔萨斯

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1. 何谓 Metaprogramming?

Metaprogram: program that manipulates another program.
Metaprogramming is not a new concept:

Compiler is a metaprogram: manipulates your code and produces code in a lower level code
Preprocessor
YACC

这个容易理解，就像 Metadata 是“关于数据的数据”一样，Meta 这个前缀本身是很能说明问题的，如果把编译器也看成是一个 Metaprogram ，那么这个概念的确是没有什么神秘的，计算机里面的绝大多数程序，干的事情都不外乎把这种数据变成另外一种数据。

2. Metaprogramming 的几种途径

One approach: external to the language that is being manipulated
Another approach: Domain language and host language are the same

第一种就是说的 YACC之类的了，当然，命令解释器也当仁不让的可以算是。
第二种么，Preprocessor 当然算是了，template 则是重头戏了。

3. 举几个简单的例子先？
CppTM 领域最经典最简单的例子莫过于计算阶乘了，它简单而有用，同时体现了 CppTM 的递归本质。我想绝大多数人当年学习递归的时候也是从这个例子开始的：

#include <iostream></iostream>

using namespace std;

template <int n></int>
struct factorial
{
static const int value = N * factorial<n>::value;</n>
};

template
struct factorial
{
static const int value = 1;
};

int main()
{
cout : " ::value
cout ::value]: "
sizeof(char[factorial::value]) / sizeof(char)
}

输出：

factorial: 3628800
sizeof char[factorial::value]: 24

这只是一个回顾，上面的简单程序就不用我解释了吧？下面的这个 remove_cv 算法会去掉参数类型的 const 和 volatile 修饰符（如果有的话），Boost type_traits 就是这么干的。

#include <iostream></iostream>

using namespace std;

template <class t> struct remove_cv </class>
{ typedef T type; };

template <class t> struct remove_cv<const volatile t></const></class>
{ typedef T type; };

template <class t> struct remove_cv<const t></const></class>
{ typedef T type; };

template <class t> struct remove_cv<volatile t></volatile></class>
{ typedef T type; };

int main()
{
cout : "
::type).name()
cout : "
::type).name()
cout : "
::type).name()
}

输出：

remove_cv<const int>: int</const>
remove_cv<volatile int>: int</volatile>
remove_cv<const volatile int>: int</const>

这个也很简单，但是非常有用。最后再来一个，相当有用的，它让我们可以在编译期间把一个数字作为二进制数来解释：

#include <iostream></iostream>

using namespace std;

template <unsigned long n></unsigned>
struct binary
{
static unsigned const value =
binary<n>::value }; template struct binary { static unsigned const value = 0; }; int main() { cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value } 输出： binary: 1 binary: 3 binary: 5 binary: 7 binary: 93 不过上面这个程序不容错，换句话说，如果你写 binary::value ，编译器不会阻止你，还会给出一个愚蠢的答案。如果要做一个容错的解释器，只需要玩一个小小的把戏（本人原创）： #include <iostream></iostream> using namespace std; namespace aux{ // 对于 0 和 1 以外的数，都不定义 value ，这样在出现 0 1 之外的数 // 的时候，编译器会抱怨找不到 value template <unsigned long n></unsigned> struct binary {}; template struct binary { static unsigned const value = 1; }; template struct binary { static unsigned const value = 0; }; } template <unsigned long n></unsigned> struct binary { static unsigned const value = binary<n>::value ::value;</n> }; template struct binary { static unsigned const value = 0; }; int main() { cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value // 你可以 uncomment 下面这一行看看会发生什么 //cout : " ::value } 输出还是一样，但是如果你写了 binary::value 这样的东西，编译器就会抱怨了： error C2039: 'value' : is not a member of 'aux::binary<n>'</n> with [ N=2 ] // bla bla bla 好了，例子够多了，我们可以稍微总结一下。CppTM 的好处在于： <ol> <li>把很多计算放到编译期间完成，使得运行效率大为提高</li> <li>由于计算在编译期间完成，很多错误也可以在编译期间发现，程序员不用到了程序开始跑了才进入痛苦的调试</li> <li>有一些事情，比如 remove_cv ，在运行期间还的确不那么好做</li> </ol> 4. 我怎么开始 Metaprogamming 呢？ 在我们开始学习编程的时候，首先学到的是赋值、条件判断、循环等等。在 CppTM 中，这些有了变化，如下： 循环 --> 模板递归 条件判断 --> 模板偏特化 赋值 --> 没有，变量的值一旦确定就不会变化（这对于 functional programming 是常事） 函数输入输出 --> 类型和常量 其实这些特征并不是什么旁门左道，正好相反，它具有 functional programming 的特征，符合图灵机模型（感兴趣的话可以看这篇 paper: <a href="http://osl.iu.edu/~tveldhui/papers/2003/turing.pdf">C++ Templates are Turing Complete</a>）。 5. 模板偏特化是个好东西，但是我每次都要把 if...then...else 映射成它，岂不是要累死？况且这编码量也太大... 这是个好问题，好在在计算机科学里面有一句箴言：You can solve everything by adding an extra layer of abstraction. 使用模板偏特化进行条件判断如此常用，我们完全应该把它抽象出来以备重用： template <bool cond class then else></bool> struct if_ { typedef Then type; }; template <class then class else></class> struct if_ <false then else></false> { typedef Else type; }; 简单吧？虽然简单，但是我们从此却可以在更高的抽象层面上看问题，我们摆脱了用模板偏特化思考，现在可以直接用 if...then...else 来思考了。那么，上面解释二进制数的程序就变成了下面这样： #include <iostream></iostream> using namespace std; template <bool cond class then else></bool> struct if_ { typedef Then type; }; template <class then class else></class> struct if_ <false then else></false> { typedef Else type; }; namespace aux{ struct one { static unsigned const value = 1; }; struct zero { static unsigned const value = 0; }; struct other {}; } template <unsigned long n></unsigned> struct binary { static unsigned const value = if_ <n aux::zero binary> >::type::value if_ <n aux::zero> if_ <n aux::one aux::other>::type</n> >::type::value; }; int main() { cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value cout : " ::value // 你可以 uncomment 下面这一行看看会发生什么 //cout : " ::value } 输出还是一样，但是现在不仅程序长度减少，而且相关的逻辑也用我们熟悉的 if...then...else 的方式来表达。多一层抽象果然威力强大！当然，循环还是要用模板递归的。 6. 流程控制的问题解决了，下面呢？我们是不是需要一些容器，像 STL 那样？ 如果要表达一个装“类型”的容器，你会怎么做？象下面这样么？ struct types { typedef int t1; typdef long t2; typedef std::vector<double> t3;</double> } 大概只要稍微明智一点，你就会马上放弃这个想法，它太没有通用性了。真正的启示来自于 Lisp ，在 Lisp 中，表是最重要的数据结构，几乎是“万物皆表”。一个表由一个头和一个尾组成，可以嵌套，空表用 nil 表示。这种简单的概念却有着不可思议的表达能力。如果我们用 C++ 来模拟，就是这样： template <class first class rest></class> struct cons { typedef First first; typedef Rest rest; }; struct nil {}; 现在我们需要表示一个类型列表就有章可循了： typedef cons<int> cons<long> cons<:vector>,</:vector> nil> > > a_type_list; 它是递归的，从而我们可以很容易的用递归的方式来对它们作协操作，用来操作它们的，就是 Metafunction，前面的 if_ 就是一个 Metafunction。例如我们想选择两个类型中比较大的一个，可以写一个 choose_larger Metafunction： template <typename t1 typename t2></typename> struct choose_larger { typedef typename if_ sizeof(T2)), T1, T2>::type type; }; 我们再次看到，由于有了 if_ ，我们的生活变得轻松多了。让我们继续向前发展，我们不想仅仅停留在两个类型比大小上，我们希望选择一个 type list 里面最大的那一个： template <typename t> struct largest;</typename> template <typename first typename rest></typename> struct largest<cons rest> ></cons> : choose_larger<first typename largest>::type></first> {}; template struct largest<cons> > </cons> { typedef First type; }; 其实上面的也可以用上 if_ ，只不过我们现在还没有写出判断一个类型是否为 nil 的 Metafunction ，这是件很简单的事情，大家可以自己去写写看。有了它们，得到一个 type list 里面最大的元素就轻而易举了： #include <vector></vector> #include <iostream></iostream> using namespace std; //... 上面的那些 Metafunction int main() { typedef cons<int> cons<long> cons<:vector>,</:vector> nil> > > type_list; cout ::type).name() } 输出： class std::vector<double std::allocator> ></double> 7. 的确很棒，但是这跟我们当年学数据结构以后，没事就写个链表玩玩差不多，在生产环境中可不能这样，用什么通用的方法么？ 终于到了这一步，在“重复发明轮子”足够多次以后，终于就有人会出来发明通用轮子的，MPL 就是一个很好的尝试，当然 Loki 也算是。 还记得 if_ 让我们尝到的甜头么？聪明人在看到了这些甜头以后，是决不会止步不前的，Dave Abrahams 和 Aleskey Gurtovoy 就是这样的聪明人，他们发明了 MPL 。留到下一篇好了。 </long></int></long></int></n></n></n>

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