C++元編程語言初步入門詳解
模板
由于模板元編程需要以面向?qū)ο鬄榛A(chǔ)，所以如有疑問之處可以先補(bǔ)充一點(diǎn)C++面向?qū)ο蟮闹R：
C++面向?qū)ο筮@一篇就夠了
泛型初步
由于C++是靜態(tài)強(qiáng)類型語言，所以變量一經(jīng)創(chuàng)建，則類型不得更改。如果我們希望創(chuàng)建一種應(yīng)用廣泛地復(fù)數(shù)類型，那么相應(yīng)地需要基于int、float、double這些基礎(chǔ)類型逐一創(chuàng)建，十分麻煩。泛型編程便是為了簡化這一過程而生。
能夠容納不同數(shù)據(jù)類型作為成員的類被成為模板類，其基本方法為在類聲明的上面加上一行模板聲明代碼
template<typename T>，下一行為class myClass，其調(diào)用過程為myClass<T> m。
列舉案例如下
#include<iostream>
using namespace std;
template<typename C>
struct Abstract{
C real; //real為C類型
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類型為float
fTemp.multi(fTemp);
fTemp.printVal();
system("pause");
return 0;
}
函數(shù)模板
當(dāng)然，上述multi并不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同類型的Abstract之間的相乘，所以可以將multi函數(shù)改為
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;
}
這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)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
模板類具備一部分普通類的性質(zhì)，比如struct和class的區(qū)別，public、protected、private的性質(zhì)，以及友元等。模板的聲明特性也可以應(yīng)用在函數(shù)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); //聲明友元
};
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;
}
需要注意的一點(diǎn)是，在模板類中聲明友元，其前綴<typename T>中的類型標(biāo)識不得與已有的類型標(biāo)識重復(fù)，否則編譯無法通過。
由于函數(shù)模板可以針對不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行求解操作，是對函數(shù)或者方法實(shí)例的抽象，所以又被稱為算法。
模板參數(shù)
如果將模板理解為一種類型聲明的函數(shù)，那么模板也應(yīng)該具備一些函數(shù)具備的功能。首先其模板參數(shù)中可以包含實(shí)際類型參數(shù)，例如
template<typename T, int max>
class Test{}
其調(diào)用時(shí)可以寫為
Test<int,256> pixel;
模板同樣支持默認(rèn)參數(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)如下形式
template<typename T=int, int max=256>
class Test{}
Test pixle;
除了數(shù)據(jù)類型、值之外，模板本身也可以作為模板參數(shù)，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;
}
其結(jié)果為
PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp PS E:\Code\cpp> .\a.exe Abstract:1+2i 請按任意鍵繼續(xù). . .
需要注意的一點(diǎn)是，在模板類中定義的模板類，需要進(jìn)行實(shí)例化，否則會出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以在Test中，以指針形式創(chuàng)建了模板類。
類型函數(shù)
以數(shù)據(jù)類型為輸入或輸出的函數(shù)即為類型函數(shù)，在C語言中，sizeof便是一種類型函數(shù)，其輸入為數(shù)據(jù)類型，輸出為數(shù)據(jù)類型所需要的內(nèi)存空間。
在C++11中，using可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型賦予的功能，其使用方法與typedef相似
template<typename T>
struct Test{
using type = T;
}
元編程的基本概念
元編程是泛型編程的一個(gè)超集，兩者的本質(zhì)均是針對不同數(shù)據(jù)類型的算法，后者則更關(guān)注傳入?yún)?shù)的廣泛性。如果將元編程分為四個(gè)層次
- 無計(jì)算
- 運(yùn)算符連接的運(yùn)算
- 編譯時(shí)具備選擇等非遞歸計(jì)算
- 編譯時(shí)具備遞歸運(yùn)算
那么泛型編程可以作為第一類元編程，或者說更加關(guān)注的是參數(shù)的傳入傳出過程，而元編程則更關(guān)注不同數(shù)據(jù)類型的選擇過程。
例如，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)最多包含三個(gè)元素的元組Tuple，其思路為，三元元素可以看成是一個(gè)二元元組與一個(gè)參數(shù)的組合；二元元組可以看成是一元元組與參數(shù)的組合；一元元組則是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型的變量。在這個(gè)元組的實(shí)現(xiàn)過程中，除了賦值過程實(shí)現(xiàn)泛型之外，也需要判斷當(dāng)前所實(shí)現(xiàn)的元組元素個(gè)數(shù)，如果其初始化參量為3個(gè)時(shí)，需要遞歸式地創(chuàng)建變量，直到賦值參數(shù)為1個(gè)。則其實(shí)現(xiàn)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>; //三元元組以二元元組為基礎(chǔ)
//返回值為Tuple<T2,T3>指針類型的base()函數(shù)
//static_cast將this轉(zhuǎn)化為Base*類型
Base* base(){return static_cast<Base*>(this);}
const Base* base() const {return static_cast<const Base*>(this);}
//構(gòu)造函數(shù)繼承二元元組，在構(gòu)造本類中x的同時(shí)，構(gòu)造基類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;
}
//運(yùn)算符重載
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;
}
其輸出結(jié)果為
PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{1,2.5,a}
可變參數(shù)模板
上述實(shí)現(xiàn)過程非常繁瑣，而且限制了元組中的元素個(gè)數(shù)，如果標(biāo)準(zhǔn)庫中用上述的書寫風(fēng)格，那么標(biāo)準(zhǔn)庫除了這個(gè)元組之外也寫不了其他的東西了。好在C++模板提供了可變參數(shù)的功能，例如，我們可以先將打印模板函數(shù)寫為
//typename... T 代表可變參數(shù)
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;
}
其輸出結(jié)果為
PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{1,2.5,a}
請按任意鍵繼續(xù). . .
然后將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元元組以N元元組為基
Base* base(){return static_cast<Base*>(this);}
const Base* base() const {return static_cast<const Base*>(this);}
//注意T&...的書寫格式
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;
}
其輸出結(jié)果為
PS E:\Code\cpp> g++ .\generic.cpp
PS E:\Code\cpp> .\a.exe
{hello,1.5,1,a}
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