模板特化

先讲讲模板特化，因为元编程中用到了大量的模板特化。什么是模板特化，比如

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// 主函数
template <typename T> void process(T data);

// 针对int的特化
template <> void process<int>(int data);
// 针对float的特化
template <> void process<float>(float data);

C++的模板元编程中就用到了大量的模板特化, 你如 remove_const 用于去除类型的 const 修饰符

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template<typename _Tp>
  struct remove_const
  { typedef _Tp     type; };

template<typename _Tp>
  struct remove_const<_Tp const>
  { typedef _Tp     type; };

实际使用的时候

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std::remove_const<int>::type a1; // 匹配第一个模板，a1 类型是 int 
std::remove_const<int const>::type a2; // 匹配第二个模板， a2 的类型也是 int

std::integral_constant

大部分模板都继承了 std::integral_constant， 它是一个具有指定值类型，指定值的编译期常量。

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std::integral_constant<int, 42>::value // 等同于 42
std::integral_constant<int, 42>::type // 等同于 int

相关定义如下

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/// integral_constant
template<typename _Tp, _Tp __v>
  struct integral_constant
  {
    static constexpr _Tp                  value = __v;
    typedef _Tp                           value_type;
    typedef integral_constant<_Tp, __v>   type;
    constexpr operator value_type() const noexcept { return value; }
  };

typedef integral_constant<bool, true>     true_type;

/// The type used as a compile-time boolean with false value.
typedef integral_constant<bool, false>    false_type;

注意，它特化了两个类型, true_type 和 false_type， 大量的类型判断模板都继承了这两个类型

is_xxx

is_xxx 就是大量的模板特化， 拿 is_integral 举例

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template<typename>
  struct is_integral
  : public false_type { };

template<>
  struct is_integral<bool>
  : public true_type { };

template<>
  struct is_integral<char>
  : public true_type { };

template<>
  struct is_integral<int>
  : public true_type { };


// short, long, longlong, unsigned char, unsigned short 等等等

大部分 is_xxx 的模板都默认继承了 false_type, 然后特化 xxx 类型继承自 true_type

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std::is_integral<int>::value // true
std::is_integral<float>::value // false

其他的 is_xxx 大同小异

  • is_array 特化 T[Size] 或者 T[]
  • is_pointer 特化 T*
  • is_lvalue_reference 特化 T&
  • is_rvalue_reference 特化 T&&
  • ……

但有一部分比如 is_enum, is_union, is_class 无法通过其接口形式来判断，只能通过编译器内置的函数来判断。

还有很多 is_xxx 是复合类型， 就是上面的几个基础类型组合

  • is_arithmetic 是否是算数类型 (is_float_point, is_integral)
  • is_fundamental 是否是基础类型 (is_arithmetic, is_void, is_nullptr)
  • is_reference 是否是左值或者右值引用
  • ……

其他

不仅可以判断类型，模板元编程还提供了一些其他的模板类，比如

  1. 判断属性类型
    • is_const
    • is_volatile
    • …
  2. 查询支持的操作
    • 是否有默认构造函数
    • 是否有虚析构函数
    • …
  3. 查询类型关系
    • is_same
    • is_base_of 是否是另一个类的基类
    • is_convertible 是否能转换到另一个类型
    • …
  4. 变化类型
    • 去除增加 const/volatile
    • 添加或移除引用
    • 添加或移除 singed
    • 添加或移除指针
  5. 其他
    • enable_if 条件性的移除函数重载或者模板特化

对模板元编程有了大致的了解之后，你就可以对一些模板库初窥门径了，关于模板编程的最好学习资料就是开源库。