花下猫语：在我们读者群里，最近出现了比较多关于 C 的讨论，还兴起了一股学习 C 的风气。樱雨楼小姐姐对 C 的模板深有研究，系统地梳理成了一篇近 4 万字的文章！本文是下篇，分享给大家~
樱雨楼 | 原创作者
豌豆花下猫 | 编辑
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5 神奇的“多功能”函数——编译期分派
本章旨在讨论这样的一个问题：
代码语言：javascript复制如何实现一个“多功能函数”，使得单一的“多功能函数”在面对不同类型的参数时，能够自动选择针对当前类型的最佳方案或独特功能？
本章亦将通过一小一大两个案例，来讨论这一问题。
5.1 迭代器的advance函数
STL中的advance函数，可用于将迭代器向前（后）推进N步。显然，不同的迭代器类别对前进这一动作的支持是不一样的：如前向迭代器，只能前进，不能后退；双向迭代器，可双向移动；而随机访问迭代器，不仅可以双向移动，还可以“大跨步地”移动。为了讨论方便，我们首先用数字的加减模拟出这三种不同类别的“迭代器”。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 模拟的“前向迭代器”
template <typename T>
class ForwardIterator
{
public:
// 构造函数
ForwardIterator(const T &val);
// operator*
T &operator*() { return __val; }
// 只能
void operator (int) { __val ; }
private:
// 数据成员
T __val;
};
// 模拟的“双向迭代器”
template <typename T>
class BidirectionalIterator
{
public:
// 构造函数
BidirectionalIterator(const T &val);
// operator*
T &operator*() { return __val; }
// 可以 和--
void operator (int) { __val ; }
void operator--(int) { __val--; }
private:
// 数据成员
T __val;
};
// 模拟的“随机访问迭代器”
template <typename T>
class RandomAccessIterator
{
public:
// 构造函数
RandomAccessIterator(const T &val);
// operator*
T &operator*() { return __val; }
// 不仅可以 和--，还可以直接 =、-=
void operator (int) { __val ; }
void operator--(int) { __val--; }
void operator =(int N) { __val = N; }
void operator-=(int N) { __val -= N; }
private:
// 数据成员
T __val;
};
template <typename T>
ForwardIterator<T>::ForwardIterator(const T &val): __val(val) {}
template <typename T>
BidirectionalIterator<T>::BidirectionalIterator(const T &val): __val(val) {}
template <typename T>
RandomAccessIterator<T>::RandomAccessIterator(const T &val): __val(val) {}
此时，我们就可以实现出一个简单的advance函数了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename Iterator>
void Advance(Iterator &iter, int N)
{
for (int _ = 0; _ < N; _ ) iter ;
}
int main()
{
ForwardIterator<int> forwardIterator(0);
BidirectionalIterator<int> bidirectionalIterator(0);
RandomAccessIterator<int> randomAccessIterator(0);
Advance(forwardIterator, 10);
Advance(bidirectionalIterator, 10);
Advance(randomAccessIterator, 10);
cout << *forwardIterator << endl; // 10
cout << *bidirectionalIterator << endl; // 10
cout << *randomAccessIterator << endl; // 10
}
上述实现似乎运行正常，但稍加分析不难发现，这一实现具有以下两个主要缺点：
- N必须为正数，即使对于（允许N为负数的）双向迭代器和随机访问迭代器而言也是一样
- 随机访问迭代器并不需要像此实现这样“步进”，从而造成了效率的浪费
怎么样才能既提供单一接口，又能够让接口有能力分辨出不同的迭代器类别呢？首先，我们需要将“迭代器的类别”这一语义表达出来，可以通过“强行编造”一些空类实现这一语义。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// “强行编造”的三种不同的迭代器类别
struct ForwardIteratorTag {};
struct BidirectionalIteratorTag {};
struct RandomAccessIteratorTag {};
然后，我们可以为每个迭代器添加一个typedef，从而表示出这个迭代器的类别。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename T>
class ForwardIterator
{
public:
// 前向迭代器的类别是ForwardIteratorTag
typedef ForwardIteratorTag IteratorCategory;
// ...
};
template <typename T>
class BidirectionalIterator
{
public:
// 双向迭代器的类别是BidirectionalIteratorTag
typedef BidirectionalIteratorTag IteratorCategory;
// ...
};
template <typename T>
class RandomAccessIterator
{
public:
// 随机访问迭代器的类别是RandomAccessIteratorTag
typedef RandomAccessIteratorTag IteratorCategory;
// ...
};
此时，当我们拿到一个迭代器类型Iterator时，我们就可以通过typename Iterator::IteratorCategory来获取到当前迭代器的类别了。
同时，我们可以以迭代器类别作为Advance函数的第三参数，从而重载出多个不同版本的Advance函数。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 适用于前向迭代器的版本
template <typename Iterator>
void __Advance(Iterator &iter, int N, ForwardIteratorTag)
{
for (int _ = 0; _ < N; _ ) iter ;
}
// 适用于双向迭代器的版本
template <typename Iterator>
void __Advance(Iterator &iter, int N, BidirectionalIteratorTag)
{
if (N > 0)
{
for (int _ = 0; _ < N; _ ) iter ;
}
else
{
for (int _ = 0; _ < -N; _ ) iter--;
}
}
// 适用于随机访问迭代器的版本
template <typename Iterator>
void __Advance(Iterator &iter, int N, RandomAccessIteratorTag)
{
iter = N;
}
此时，我们已经拥有了两组工具：
- 可以通过typename Iterator::IteratorCategory来获取到当前迭代器的类别
- 实现了3个__Advance函数，分别适用于三个迭代器类别
此时，只要我们使用迭代器类别（作为第三参数）去调用__Advance函数，编译器就将根据重载确定规则，选择适用于当前迭代器类别的__Advance函数进行调用了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
ForwardIterator<int> forwardIterator(0);
BidirectionalIterator<int> bidirectionalIterator(0);
RandomAccessIterator<int> randomAccessIterator(0);
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, ForwardIteratorTag)版本
__Advance(forwardIterator, 10, typename ForwardIterator<int>::IteratorCategory());
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, BidirectionalIteratorTag)版本
__Advance(bidirectionalIterator, 10, typename BidirectionalIterator<int>::IteratorCategory());
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, RandomAccessIteratorTag)版本
__Advance(randomAccessIterator, 10, typename RandomAccessIterator<int>::IteratorCategory());
cout << *forwardIterator << endl; // 10
cout << *bidirectionalIterator << endl; // 10
cout << *randomAccessIterator << endl; // 10
}
这就结束了吗？怎么感觉函数的调用这么麻烦呢？显然还未结束。
不难发现，在任何一个函数的实现代码中，我们都不仅拥有参数值，还拥有每个参数的类型。所以，我们可以再实现一个只有两个参数的函数，并在其内部构造出“typename Iterator::IteratorCategory()”，并调用三个参数的__Advance函数。而这，就是基于重载确定的编译期分派技术。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 最终的“多功能函数”
template <typename Iterator>
void Advance(Iterator &iter, int N)
{
// 根据typename Iterator::IteratorCategory()进行基于重载确定的编译期分派
__Advance(iter, N, typename Iterator::IteratorCategory());
}
int main()
{
ForwardIterator<int> forwardIterator(0);
BidirectionalIterator<int> bidirectionalIterator(0);
RandomAccessIterator<int> randomAccessIterator(0);
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, ForwardIteratorTag)版本
Advance(forwardIterator, 10);
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, BidirectionalIteratorTag)版本
Advance(bidirectionalIterator, 10);
// 重载确定至__Advance(Iterator &iter, int N, RandomAccessIteratorTag)版本
Advance(randomAccessIterator, 10);
cout << *forwardIterator << endl; // 10
cout << *bidirectionalIterator << endl; // 10
cout << *randomAccessIterator << endl; // 10
}
至此，我们就完成了Advance这个“多功能函数”的实现。但最后，我们还有一个重要问题需要解决：指针也是迭代器，那么指针的迭代器类型（当然是随机访问迭代器）怎么获取？
也许不用我说，你就已经知道答案了，解决方案就是“加中间层可解决一切问题”定理。我们可以为“获取迭代器类型”这一操作添加一个中间层，并在此中间层中，对指针类型进行特化。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 迭代器的迭代器类型
template <typename Iterator>
struct IteratorTraits
{
typedef typename Iterator::IteratorCategory IteratorCategory;
};
// 指针的迭代器类型
template <typename T>
struct IteratorTraits<T *>
{
typedef RandomAccessIteratorTag IteratorCategory;
};
同时，我们还需要将上面的Advance函数中的“简单粗暴的typename Iterator::IteratorCategory”替换为我们刚刚实现的IteratorTraits方法：
代码语言：javascript复制template <typename Iterator>
void Advance(Iterator &iter, int N)
{
// 根据typename IteratorTraits<Iterator>::IteratorCategory()进行基于重载确定的编译期分派
__Advance(iter, N, typename IteratorTraits<Iterator>::IteratorCategory());
}
至此，Advance函数的实现也就全部完成了。
接下来，我们以一个更为复杂，也更为神奇的功能，继续讨论编译期分派这一技术。
5.2 “万能的”打印函数
本节将要实现的功能，其最终使用起来十分简单：
代码语言：javascript复制print(X); // "X"可以是任何值！
没错，这是一个可以打印任何值的函数！通过上一节的铺垫，我们知道：作为实现者，我们不仅可以得到X的值，还能“顺便”得到X的类型。所以，我们就可以在X的类型上大做文章，针对不同的类型实现出不同的打印函数，最后，通过这个print函数进行编译期分派，从而实现出这一神奇的函数。
首先应该实现什么呢？不难发现，X可以是一个“可以直接cout的值”、（支持迭代器的）容器、Pair、Tuple、Stack、Queue等类别。所以，我们首先需要对X的这些不同的类别进行分类，通过创建很多空的Tag类即可实现此功能。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 默认类别
struct __CommonTag {};
// 线性容器类别
struct __SequenceContainerTag {};
// Map容器类别
struct __MapContainerTag {};
// Set容器类别
struct __SetContainerTag {};
// Pair类别
struct __PairTag {};
// Map中的Pair类别
struct __MapPairTag {};
// Tuple类别
struct __TupleTag {};
// Stack类别
struct __StackTag {};
// Queue类别
struct __QueueTag {};
然后，通过建立一系列的Traits，我们就可以将X的类型映射到这些Tag上：
代码语言：javascript复制// 如果T不是下面所提及的类型中的任何一种，那么T的类别就是__CommonTag（即：“可以直接cout的类型”）
template <typename T>
struct __CategoryTraits
{
typedef __CommonTag __Category;
};
// array<T, N>的类别是__SequenceContainerTag
template <typename T, size_t N>
struct __CategoryTraits<array<T, N>>
{
typedef __SequenceContainerTag __Category;
};
// deque<T>的类别是__SequenceContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<deque<T>>
{
typedef __SequenceContainerTag __Category;
};
// forward_list<T>的类别是__SequenceContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<forward_list<T>>
{
typedef __SequenceContainerTag __Category;
};
// list<T>的类别是__SequenceContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<list<T>>
{
typedef __SequenceContainerTag __Category;
};
// vector<T>的类别是__SequenceContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<vector<T>>
{
typedef __SequenceContainerTag __Category;
};
// map<K, V>的类别是__MapContainerTag
template <typename K, typename V>
struct __CategoryTraits<map<K, V>>
{
typedef __MapContainerTag __Category;
};
// multimap<K, V>的类别是__MapContainerTag
template <typename K, typename V>
struct __CategoryTraits<multimap<K, V>>
{
typedef __MapContainerTag __Category;
};
// unordered_map<K, V>的类别是__MapContainerTag
template <typename K, typename V>
struct __CategoryTraits<unordered_map<K, V>>
{
typedef __MapContainerTag __Category;
};
// unordered_multimap<K, V>的类别是__MapContainerTag
template <typename K, typename V>
struct __CategoryTraits<unordered_multimap<K, V>>
{
typedef __MapContainerTag __Category;
};
// set<T>的类别是__SetContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<set<T>>
{
typedef __SetContainerTag __Category;
};
// multiset<T>的类别是__SetContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<multiset<T>>
{
typedef __SetContainerTag __Category;
};
// unordered_set<T>的类别是__SetContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<unordered_set<T>>
{
typedef __SetContainerTag __Category;
};
// unordered_multiset<T>的类别是__SetContainerTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<unordered_multiset<T>>
{
typedef __SetContainerTag __Category;
};
// pair<T1, T2>的类别是__PairTag
template <typename T1, typename T2>
struct __CategoryTraits<pair<T1, T2>>
{
typedef __PairTag __Category;
};
// tuple<Types...>的类别是__TupleTag
template <typename... Types>
struct __CategoryTraits<tuple<Types...>>
{
typedef __TupleTag __Category;
};
// stack<T>的类别是__StackTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<stack<T>>
{
typedef __StackTag __Category;
};
// queue<T>的类别是__QueueTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<queue<T>>
{
typedef __QueueTag __Category;
};
// priority_queue<T>的类别是__StackTag
template <typename T>
struct __CategoryTraits<priority_queue<T>>
{
typedef __StackTag __Category;
};
接下来需要解决的问题是：我们希望面对类似于一维数组这样的“较小的值”和类似于高维数组这样的“较大的值”时，能够采用或紧凑，或分散的不同的打印格式。具体什么是“较小的值”呢？这里，我们认为：如果X本身的类别就是__CommonTag，或X中的值（前提是X本身的类别不是__CommonTag）的类别是__CommonTag，则认为X是一个“较小的值”，采取紧凑的打印格式，否则，就认为X是一个“较大的值”，采取分散的打印格式。
那么，我们就又引出了一个问题：对于某些类型，如Pair和Tuple，其中的各个元素的类型是不一样的，即：各个元素的类别也是不一样的；同时，很显然，当我们面对多个类别时，只要其中有一个类别不是__CommonTag，那么我们就应当认为这些类别的“最强大类别”不是__CommonTag。因此，我们首先需要实现一个获取“最强大类别”的Traits。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过typename __CategoryPromotionTraits<Tags...>::__Category获取“最强大类别”
template <typename... Tags>
struct __CategoryPromotionTraits;
// 如果有两个任意的类别，则随便选一个类别作为“更强大类别”即可...
template <typename Tag1, typename Tag2>
struct __CategoryPromotionTraits<Tag1, Tag2>
{
typedef Tag1 __Category;
};
// ...但是，如果右类别是__CommonTag，则“更强大类别”需要“敬而远之”...
template <typename Tag1>
struct __CategoryPromotionTraits<Tag1, __CommonTag>
{
typedef Tag1 __Category;
};
// ...同理，如果左类别是__CommonTag，则“更强大类别”也需要“敬而远之”...
template <typename Tag2>
struct __CategoryPromotionTraits<__CommonTag, Tag2>
{
typedef Tag2 __Category;
};
// ...只有当“你我都是普通人”时，“更强大类别”才是__CommonTag
template <>
struct __CategoryPromotionTraits<__CommonTag, __CommonTag>
{
typedef __CommonTag __Category;
};
// 面对不止两个类别时，“最强大类别”应该是Tag1与Tags...的“最强大类别”之间的“更强大类别”
template <typename Tag1, typename... Tags>
struct __CategoryPromotionTraits<Tag1, Tags...>
{
typedef typename __CategoryPromotionTraits<
Tag1,
typename __CategoryPromotionTraits<Tags...>::__Category
>::__Category __Category;
};
接下来，我们就来实现能够获取X中的元素的类别（即X的“子类别”）的Traits：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过typename __SubCategoryTraits<X的类别, X的类型>::__Category获取X中的元素的类别
template <typename Tag, typename T>
struct __SubCategoryTraits;
// __CommonTag没有子类别
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__CommonTag, T>
{
typedef void __Category;
};
// __SequenceContainerTag的子类别就是T::value_type的类别
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__SequenceContainerTag, T>
{
typedef typename __CategoryTraits<typename T::value_type>::__Category __Category;
};
// __MapContainerTag的子类别一定是__MapPairTag
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__MapContainerTag, T>
{
typedef __MapPairTag __Category;
};
// __SetContainerTag的子类别就是T::value_type的类别
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__SetContainerTag, T>
{
typedef typename __CategoryTraits<typename T::value_type>::__Category __Category;
};
// __MapPairTag的子类别是T::first_type的类别与T::second_type的类别之间的“更强大类别”
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__MapPairTag, T>
{
typedef typename __CategoryPromotionTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category
>::__Category __Category;
};
// 和__MapPairTag一样
// __PairTag的子类别也是T::first_type的类别与T::second_type的类别之间的“更强大类别”
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__PairTag, T>
{
typedef typename __CategoryPromotionTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category
>::__Category __Category;
};
// __TupleTag的子类别是各个Types的类别之中的“最强大类别”
template <typename... Types>
struct __SubCategoryTraits<__TupleTag, tuple<Types...>>
{
typedef typename __CategoryPromotionTraits<
typename __CategoryTraits<Types>::__Category...
>::__Category __Category;
};
// __StackTag的子类别就是T::value_type的类别
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__StackTag, T>
{
typedef typename __CategoryTraits<typename T::value_type>::__Category __Category;
};
// __QueueTag的子类别就是T::value_type的类别
template <typename T>
struct __SubCategoryTraits<__QueueTag, T>
{
typedef typename __CategoryTraits<typename T::value_type>::__Category __Category;
};
有了__CategoryTraits和__SubCategoryTraits这两个工具，我们的准备工作也就基本上完成了。接下来是最后的一些简单的准备工作：
- 我们需要定义一些控制打印样式的字符或字符串常量。请看以下示例：
// 缩进空白字符
const char __SPACE = ' ';
// 单次缩进长度
const int __INDENTATION_LEN = 4;
// 元素之间的分隔符
const string __VALUE_SPLICE = ", ";
// 行末分隔符
const char __LINE_END = ',';
// 线性容器类别的左右定界符
const char __SEQUENCE_CONTAINER_BEGIN = '[';
const char __SEQUENCE_CONTAINER_END = ']';
// Map容器类别的左右定界符
const char __MAP_CONTAINER_BEGIN = '{';
const char __MAP_CONTAINER_END = '}';
// Set容器类别的左右定界符
const char __SET_CONTAINER_BEGIN = '{';
const char __SET_CONTAINER_END = '}';
// Pair类别的左右定界符
const char __PAIR_BEGIN = '(';
const char __PAIR_END = ')';
// Map中的Pair类别的左右定界符
const char __MAP_PAIR_BEGIN = '(';
const char __MAP_PAIR_END = ')';
// Map中的Pair类别的键值对分隔符
const string __MAP_PAIR_SPLICE = ": ";
// Map中的Pair类别的键值对行末分隔符
const char __MAP_PAIR_LINE_END = ':';
// Tuple容器类别的左右定界符
const char __TUPLE_BEGIN = '(';
const char __TUPLE_END = ')';
// Stack容器类别的左右定界符
const char __STACK_BEGIN = '[';
const char __STACK_END = ']';
// Queue容器类别的左右定界符
const char __QUEUE_BEGIN = '[';
const char __QUEUE_END = ']';
- 对于Stack<int>，如果我们将1，2，3依次入栈，则取出时只能按3，2，1的顺序出栈，这将造成很奇怪的打印效果。所以我们需要一个简单的函数，用于将Stack反序。请看以下示例：
template <typename T>
T __reverseStack(T oriStack) // 必须使用值传递
{
T reverseStack;
while (!oriStack.empty())
{
reverseStack.push(oriStack.top());
oriStack.pop();
}
return reverseStack;
}
终于可以开始着手实现最重要的print函数了！这里我们通过实现很多个__PrintData类的特化来实现针对不同类别及其子类别组合的编译期分派。那么，__PrintData类需要哪些模板参数呢？X的类别、X的子类别、X的类型，显然都是需要的，此外，我们还需要在模板参数中维护一个整数，用于使每个模板都能够知道“我在第几层？”，以实现打印时的缩进控制。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过__PrintData<SelfTag, SubTag, T, N>::__Print(val)打印val
template <typename SelfTag, typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData;
// 打印__CommonTag类别的值（__CommonTag的子类别一定是void），采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__CommonTag, void, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__SequenceContainerTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__SequenceContainerTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__SequenceContainerTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__MapContainerTag类别 __MapPairTag子类别组合的值，采用宽松的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__MapContainerTag, __MapPairTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__SetContainerTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__SetContainerTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__SetContainerTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__PairTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__PairTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__PairTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__MapPairTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__MapPairTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__MapPairTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__TupleTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__TupleTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__TupleTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__StackTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__StackTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__StackTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(const T &val);
};
// 打印__QueueTag 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
struct __PrintData<__QueueTag, SubTag, T, N>
{
static void __Print(T val);
};
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
struct __PrintData<__QueueTag, __CommonTag, T, N>
{
static void __Print(T val);
};
以下是除了Tuple以外的（Tuple的打印函数的实现我们将在稍后讨论）各个打印函数的实现：
代码语言：javascript复制// 打印__CommonTag类别的值（__CommonTag的子类别一定是void），采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__CommonTag, void, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 直接打印缩进与val
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << val;
}
// 打印__SequenceContainerTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__SequenceContainerTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与线性容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SEQUENCE_CONTAINER_BEGIN << endl;
for (auto &subVal: val)
{
// 缩进层数 1，使用线性容器中的元素的__PrintData版本，依次打印线性容器中的每个元素
__PrintData<
SubTag,
typename __SubCategoryTraits<SubTag, typename T::value_type>::__Category,
typename T::value_type,
N 1
>::__Print(subVal);
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
}
// 打印缩进与线性容器类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SEQUENCE_CONTAINER_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__SequenceContainerTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与线性容器类别的左定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SEQUENCE_CONTAINER_BEGIN;
// 不换行，依次打印线性容器中的每个元素，以及元素之间的分隔符
if (!val.empty())
{
cout << val.front();
for (auto iter = next(val.begin()); iter != val.end(); iter )
{
cout << __VALUE_SPLICE << *iter;
}
}
// 打印线性容器类别的右定界符
cout << __SEQUENCE_CONTAINER_END;
}
// 打印__MapContainerTag类别 __MapPairTag子类别组合的值，采用宽松的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__MapContainerTag, __MapPairTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Map容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __MAP_CONTAINER_BEGIN << endl;
for (auto &subVal: val)
{
// 缩进层数 1，直接使用__MapPairTag类别以及Map容器的子类别生成__PrintData，用于打印Map中的Pair
__PrintData<
__MapPairTag,
typename __SubCategoryTraits<__MapPairTag, typename T::value_type>::__Category,
typename T::value_type,
N 1
>::__Print(subVal);
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
}
// 打印缩进与Map容器类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __MAP_CONTAINER_END;
}
// 打印__SetContainerTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__SetContainerTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Set容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SET_CONTAINER_BEGIN << endl;
for (auto &subVal: val)
{
// 缩进层数 1，使用Set容器中的元素的__PrintData版本，依次打印Set容器中的每个元素
__PrintData<
SubTag,
typename __SubCategoryTraits<SubTag, typename T::value_type>::__Category,
typename T::value_type,
N 1
>::__Print(subVal);
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
}
// 打印缩进与Set容器类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SET_CONTAINER_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__SetContainerTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Set容器类别的左定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __SET_CONTAINER_BEGIN;
// 不换行，依次打印Set容器中的每个元素，以及元素之间的分隔符
if (!val.empty())
{
cout << *val.begin();
for (auto iter = next(val.begin()); iter != val.end(); iter )
{
cout << __VALUE_SPLICE << *iter;
}
}
// 打印Set容器类别的右定界符
cout << __SET_CONTAINER_END;
}
// 打印__PairTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__PairTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Pair类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __PAIR_BEGIN << endl;
// 缩进层数 1，使用val.first的__PrintData版本打印val.first
__PrintData<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename T::first_type
>::__Category,
typename T::first_type,
N 1
>::__Print(val.first);
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
// 缩进层数 1，使用val.second的__PrintData版本打印val.second
__PrintData<
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category,
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category,
typename T::second_type
>::__Category,
typename T::second_type,
N 1
>::__Print(val.second);
// 打印行末分隔符后换行，再打印缩进与Pair类别的右定界符
cout << __LINE_END << endl << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __PAIR_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__PairTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 直接依次打印缩进、Pair类别的左定界符、val.first、元素之间的分隔符、
// val.second以及Pair类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __PAIR_BEGIN <<
val.first << __VALUE_SPLICE << val.second << __PAIR_END;
}
// 打印__MapPairTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
// 此版本的实现与__PrintData<__PairTag, SubTag, T, N>版本高度相似
// 唯一的区别在于定界符的选取不同
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__MapPairTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Map中的Pair类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __MAP_PAIR_BEGIN << endl;
// 缩进层数 1，使用val.first的__PrintData版本打印val.first
__PrintData<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::first_type>::__Category,
typename T::first_type
>::__Category,
typename T::first_type,
N 1
>::__Print(val.first);
// 打印Map中的Pair类别的键值对行末分隔符后换行
cout << __MAP_PAIR_LINE_END << endl;
// 缩进层数 1，使用val.second的__PrintData版本打印val.second
__PrintData<
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category,
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<typename T::second_type>::__Category,
typename T::second_type
>::__Category,
typename T::second_type,
N 1
>::__Print(val.second);
// 打印行末分隔符后换行，再打印缩进与Map中的Pair类别的右定界符
cout << __LINE_END << endl << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __MAP_PAIR_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
// 此版本的实现与__PrintData<__PairTag, __CommonTag, T, N>版本高度相似
// 唯一的区别在于定界符的选取不同
template <typename T, int N>
void __PrintData<__MapPairTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 直接依次打印缩进、Map中的Pair类别的左定界符、val.first、
// Map中的Pair类别的键值对分隔符、val.second以及Map中的Pair类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __MAP_PAIR_BEGIN <<
val.first << __MAP_PAIR_SPLICE << val.second << __MAP_PAIR_END;
}
// 打印__StackTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__StackTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 得到一个反序的Stack
T reverseVal = __reverseStack(val);
// 打印缩进与Stack容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __STACK_BEGIN << endl;
while (!reverseVal.empty())
{
// 缩进层数 1，使用Stack容器中的元素的__PrintData版本，依次打印Stack容器中的每个元素
__PrintData<
SubTag,
typename __SubCategoryTraits<SubTag, typename T::value_type>::__Category,
typename T::value_type,
N 1
>::__Print(reverseVal.top());
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
// 出栈
reverseVal.pop();
}
// 打印缩进与Stack容器类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __STACK_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__StackTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 得到一个反序的Stack
T reverseVal = __reverseStack(val);
// 打印缩进与Stack容器类别的左定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __STACK_BEGIN;
// 不换行，依次打印Stack容器中的每个元素，以及元素之间的分隔符
if (!reverseVal.empty())
{
cout << reverseVal.top();
reverseVal.pop();
while (!reverseVal.empty())
{
cout << __VALUE_SPLICE << reverseVal.top();
reverseVal.pop();
}
}
// 打印Stack容器类别的右定界符
cout << __STACK_END;
}
// 打印__QueueTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__QueueTag, SubTag, T, N>::__Print(T val)
{
// 打印缩进与Queue容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __QUEUE_BEGIN << endl;
while (!val.empty())
{
// 缩进层数 1，使用Queue容器中的元素的__PrintData版本，依次打印Queue容器中的每个元素
__PrintData<
SubTag,
typename __SubCategoryTraits<SubTag, typename T::value_type>::__Category,
typename T::value_type,
N 1
>::__Print(val.front());
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
// 出队列
val.pop();
}
// 打印缩进与Queue容器类别的右定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __QUEUE_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__QueueTag, __CommonTag, T, N>::__Print(T val)
{
// 打印缩进与Queue容器类别的左定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __QUEUE_BEGIN;
// 不换行，依次打印Queue容器中的每个元素，以及元素之间的分隔符
if (!val.empty())
{
cout << val.front();
val.pop();
while (!val.empty())
{
cout << __VALUE_SPLICE << val.front();
val.pop();
}
}
// 打印Queue容器类别的右定界符
cout << __QUEUE_END;
}
怎么打印Tuple？虽然Tuple不能通过真正的for循环进行遍历，但我们可以使用编译期的“for循环”对Tuple进行“遍历”。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 以紧凑（单行）的打印格式打印Tuple
// 从“索引值”0，向“最大索引值”TopIdx进行“迭代”
template <typename T, int Idx, int TopIdx>
struct __PrintTupleOneLine
{
static void __Print(const T &val);
};
// 当Idx == TopIdx时，“迭代”结束
template <typename T, int TopIdx>
struct __PrintTupleOneLine<T, TopIdx, TopIdx>
{
static void __Print(const T &val) {}
};
// 以宽松（多行）的打印格式打印Tuple
// 从“索引值”0，向“最大索引值”TopIdx进行“迭代”
template <typename T, int N, int Idx, int TopIdx>
struct __PrintTupleMultiLine
{
static void __Print(const T &val);
};
// 当Idx == TopIdx时，“迭代”结束
template <typename T, int N, int TopIdx>
struct __PrintTupleMultiLine<T, N, TopIdx, TopIdx>
{
static void __Print(const T &val) {}
};
template <typename T, int Idx, int TopIdx>
void __PrintTupleOneLine<T, Idx, TopIdx>::__Print(const T &val)
{
// 打印“val[Idx]”
cout << get<Idx>(val);
// 如果“val[Idx]”不是Tuple的最后一个元素，则打印元素之间的分隔符
if (Idx 1 < TopIdx)
{
cout << __VALUE_SPLICE;
}
// 继续打印“val[Idx 1]”...
__PrintTupleOneLine<T, Idx 1, TopIdx>::__Print(val);
}
template <typename T, int N, int Idx, int TopIdx>
void __PrintTupleMultiLine<T, N, Idx, TopIdx>::__Print(const T &val)
{
// 缩进层数 1，使用“val[Idx]”的__PrintData版本打印“val[Idx]”
__PrintData<
typename __CategoryTraits<typename tuple_element<Idx, T>::type>::__Category,
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<typename tuple_element<Idx, T>::type>::__Category,
typename tuple_element<Idx, T>::type
>::__Category,
typename tuple_element<Idx, T>::type,
N 1
>::__Print(get<Idx>(val));
// 打印行末分隔符后换行
cout << __LINE_END << endl;
// 继续打印“val[Idx 1]”...
__PrintTupleMultiLine<T, N, Idx 1, TopIdx>::__Print(val);
}
此时，我们就可以提供用于打印Tuple的__PrintData的定义了：
代码语言：javascript复制// 打印__TupleTag类别 任意子类别组合的值，采用宽松的打印格式...
template <typename SubTag, typename T, int N>
void __PrintData<__TupleTag, SubTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Tuple容器类别的左定界符，然后换行
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __TUPLE_BEGIN << endl;
// 调用多行版本的Tuple打印函数，打印val
__PrintTupleMultiLine<T, N, 0, tuple_size<T>::value>::__Print(val);
// 打印Tuple容器类别的右定界符
cout << __TUPLE_END;
}
// ...但是，如果子类别是__CommonTag，则采用紧凑的打印格式
template <typename T, int N>
void __PrintData<__TupleTag, __CommonTag, T, N>::__Print(const T &val)
{
// 打印缩进与Tuple容器类别的左定界符
cout << string(N * __INDENTATION_LEN, __SPACE) << __TUPLE_BEGIN;
// 调用单行版本的Tuple打印函数，打印val
__PrintTupleOneLine<T, 0, tuple_size<T>::value>::__Print(val);
// 打印Tuple容器类别的右定界符
cout << __TUPLE_END;
}
至此，我们已经实现了print函数所需要的一切底层组件。现在我们需要做的，就是汇聚所有的这些底层组件，最终实现print函数。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename T>
void print(const T &val)
{
__PrintData<
// T的类别
typename __CategoryTraits<T>::__Category,
// T的子类别
typename __SubCategoryTraits<
typename __CategoryTraits<T>::__Category,
T
>::__Category,
// val的类型
T,
// 缩进层数从0开始
0
>::__Print(val);
cout << endl;
}
让我们立即来试试这个print函数的效果：
代码语言：javascript复制int main()
{
// 普通值
int sampleInt = 123;
double *samplePtr = nullptr;
string sampleStr = "abc";
print(sampleInt); // 123
print(samplePtr); // 0
print(sampleStr); // abc
// 线性容器
array<int, 3> sampleArray {1, 2, 3};
vector<string> sampleVector {"abc", "def", "ghi"};
list<deque<forward_list<string>>> sampleComplexContainer {{{"abc", "def"}, {"ghi", "jkl"}}, {{"mno", "pqr"}, {"stu", "vwx"}}};
print(sampleArray); // [1, 2, 3]
print(sampleVector); // [abc, def, ghi]
/*
[
[
[abc, def],
[ghi, jkl],
],
[
[mno, pqr],
[stu, vwx],
],
]
*/
print(sampleComplexContainer);
// Map容器
map<int, string> sampleMap {{1, "abc"}, {2, "def"}, {3, "ghi"}};
multimap<int, vector<string>> sampleComplexMap {{1, {"abc", "def"}}, {2, {"ghi", "jkl"}}, {3, {"mno", "pqu"}}};
/*
{
(1: abc),
(2: def),
(3: ghi),
}
*/
print(sampleMap);
/*
{
(
1:
[abc, def],
),
(
2:
[ghi, jkl],
),
(
3:
[mno, pqu],
),
}
*/
print(sampleComplexMap);
// Set容器
set<int> sampleSet {1, 2, 3};
multiset<vector<bool>> sampleComplexSet {{true, false}, {false, true}, {true, false, false, true}};
print(sampleSet); // {1, 2, 3}
/*
{
[0, 1],
[1, 0],
[1, 0, 0, 1],
}
*/
print(sampleComplexSet);
// Pair
pair<int, string> samplePair {1, "abc"};
pair<int, vector<string>> sampleComplexPair {1, {"abc", "def", "ghi"}};
print(samplePair); // (1, abc)
/*
(
1,
[abc, def, ghi],
)
*/
print(sampleComplexPair);
// Tuple容器
tuple<int, double, char, string> sampleTuple {1, 2., 'a', "abc"};
tuple<int, double, char, string, vector<string>> sampleComplexTuple {1, 2., 'a', "abc", {"abc", "def", "ghi"}};
print(sampleTuple); // (1, 2, a, abc)
/*
(
1,
2,
a,
abc,
[abc, def, ghi],
)
*/
print(sampleComplexTuple);
// Stack容器
stack<int> sampleStack;
sampleStack.push(1);
sampleStack.push(2);
sampleStack.push(3);
stack<vector<string>> sampleComplexStack;
sampleComplexStack.push({"abc", "def"});
sampleComplexStack.push({"ghi", "jkl"});
sampleComplexStack.push({"mno", "pqr"});
/*
栈底 --------> 栈顶
[1, 2, 3]
*/
print(sampleStack);
/*
栈底
[ |
[abc, def], |
[ghi, jkl], |
[mno, pqr], |
] v
栈顶
*/
print(sampleComplexStack);
// Queue容器
queue<int> sampleQueue;
sampleQueue.push(1);
sampleQueue.push(2);
sampleQueue.push(3);
priority_queue<vector<string>> sampleComplexPriorityQueue;
sampleComplexPriorityQueue.push({"abc", "def"});
sampleComplexPriorityQueue.push({"ghi", "jkl"});
sampleComplexPriorityQueue.push({"mno", "pqr"});
/*
队列首 <-------- 队列尾
[1, 2, 3]
*/
print(sampleQueue);
/*
队列首
[ ^
[mno, pqr], |
[ghi, jkl], |
[abc, def], |
] |
队列尾
*/
print(sampleComplexPriorityQueue);
}
至此，print函数的实现也就全部完成了。
5.3 本章后记
本章，我们首先通过一个简单的STL advance函数，讨论了编译期分派技术。这一函数的实现过程能够带给我们两点思考：
- 为什么我们能在用户无感知的情况下实现分派呢？不难发现：你，作为一个函数的实现者，有一样东西是用户所不具有的，那就是类型。当用户使用一个值来调用函数时，你不仅能得到这个值，还能“顺便”得到这个值的类型，而正是因为有了这多出来的类型，我们就能在类型上大做文章，实现出很多“神奇”的接口
- 事实上，并没有真正的“多功能函数”。但我们可以通过“添加中间层可解决一切问题”这一“经典定理”，使得单一的接口函数，根据传入的实参类型的不同，“多功能的”调用多个底层的实现函数，从而达到“多功能函数”的效果
紧接着，我们实现了一个代码更为复杂的print函数。观其输出结果，不禁让我们感慨：一个小小的T，在经过我们的“大做文章”之后，竟能够表现出如此丰富的多样性！这，就是编译期分派的强大威力所在！
6 “突破极限”的容器——Tuple
Tuple是一种非常特殊且高级的数据结构，其能够容纳和取用数量、类型都不定的一组值，你也可以将Tuple理解为某种“匿名结构体”。乍看之下，“数量、类型都不定”和模板中“什么都是已经确定的编译期常量”从语法上就是完全相悖的，和容器的“所有元素的类型必须相同”的原则也是完全相悖的，似乎，Tuple是一种“突破极限”的容器。可事实真的是如此吗？
6.1 可递归Pair
首先，请看下面这段“平淡无奇”的代码：
代码语言：javascript复制template <typename T1, typename T2>
struct __RecursionPair
{
public:
// 数据成员
T1 __first;
T2 __second;
// 构造函数
__RecursionPair();
__RecursionPair(const T1 &first, const T2 &second);
};
template <typename T1, typename T2>
__RecursionPair<T1, T2>::__RecursionPair() = default;
template <typename T1, typename T2>
__RecursionPair<T1, T2>::__RecursionPair(const T1 &first, const T2 &second):
__first(first), __second(second) {}
// 针对只有一个值的Pair的特化
template <typename T1>
struct __RecursionPair<T1, void>
{
public:
// 数据成员
T1 __first;
// 构造函数
__RecursionPair();
explicit __RecursionPair(const T1 &first);
};
template <typename T1>
__RecursionPair<T1, void>::__RecursionPair() = default;
template <typename T1>
__RecursionPair<T1, void>::__RecursionPair(const T1 &first): __first(first) {}
int main()
{
__RecursionPair<int, double> _(1, 2.);
__RecursionPair<int, void> __(1);
}
“这不就是STL的Pair吗？”，你一定会有这样的疑问。没错，这确实就是STL的Pair，但请你继续看：
代码语言：javascript复制__RecursionPair<int, __RecursionPair<double, __RecursionPair<char, string>>> multiPair; // 还有这种操作？？？
没错！就是有这样的操作。此时，也许你已经意识到了，只要“无限堆叠”这样的Pair，理论上就能实现一个任意数量 任意类型的容器了。我们称这样的Pair为“可递归Pair”。
故事结束了吗？不，这才只是个开始。我们可以立即发现，这种“无限堆叠”产生的“千层饼”，是一个非常反人类的东西，不仅没有“索引值”，甚至为了取得第10个值，竟然需要连着写9遍“.second”！这也太反人类了！请不要着急，接着往下看。
6.2 为可递归Pair的类型添加“索引值”
接下来，我们需要解决似乎很棘手的一个问题：如何根据“索引值”获取可递归Pair的某个位置的类型呢？要知道，可递归Pair里面可是根本没有“索引值”这一概念啊。
让我们先试着迈出第一步：获取__RecursionPair<T1, void>的T1。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过typename __RecursionPairType<T, N>::__ValueType获取“T[N]”的类型
template <int N, typename T>
struct __RecursionPairType;
// 获取__RecursionPair<T1, void>的第0个类型（相当于“T[0]”的类型）
template <typename T1>
struct __RecursionPairType<0, __RecursionPair<T1, void>>
{
// __RecursionPair<T1, void>的第0个类型显然就是T1
typedef T1 __ValueType;
};
似乎很顺利对不对？让我们继续：获取__RecursionPair<T1, T2>的T1和T2。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, T2>的第0个类型（相当于“T[0]”的类型）
template <typename T1, typename T2>
struct __RecursionPairType<0, __RecursionPair<T1, T2>>
{
// __RecursionPair<T1, T2>的第0个类型显然就是T1
typedef T1 __ValueType;
};
// 获取__RecursionPair<T1, T2>的第1个类型（相当于“T[1]”的类型）
template <typename T1, typename T2>
struct __RecursionPairType<1, __RecursionPair<T1, T2>>
{
// __RecursionPair<T1, T2>的第1个类型显然就是T2
typedef T2 __ValueType;
};
接下来，我们就要面对真正的难题了，它就是：
代码语言：javascript复制__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
仔细分析这一类型不难发现：T1和T2一定不会继续是一个__RecursionPair类型（因为我们人为地“默认”了可递归Pair只有second可以进行递归，实际上first也可以进行递归，但是这样的代码看上去比较“别扭”）。所以，我们立即可以给出以下实现：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的第0个类型（相当于“T[0]”的类型）
template <typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairType<0, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// 因为T1一定不会继续是一个__RecursionPair类型
// 所以__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的第0个类型应该就是T1
typedef T1 __ValueType;
};
// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的第1个类型（相当于“T[1]”的类型）
template <typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairType<1, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// 因为T2一定不会继续是一个__RecursionPair类型
// 所以__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的第1个类型应该就是T2
typedef T2 __ValueType;
};
那么，如果N大于1，要怎么办呢？此时，虽然我们自己已经无能为力（因为我们并没有能力“拆分”T3），但是我们可以“寄希望于”递归。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的第N（N > 1）个类型（相当于“T[N]”的类型）
template <int N, typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairType<N, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// 如果N大于1，那么“T[N]”的类型应该是__RecursionPair<T2, T3>的第N - 1个类型
typedef typename __RecursionPairType<N - 1, __RecursionPair<T2, T3>>::__ValueType __ValueType;
};
至此，我们就完整实现了根据“索引值”获取可递归Pair的某个位置的类型这一工具。让我们来看看效果：
代码语言：javascript复制int main()
{
typedef __RecursionPair<int, __RecursionPair<double, __RecursionPair<char, string>>> Type;
cout << typeid(__RecursionPairType<3, Type>::__ValueType).name(); // string
}
可以看出，输出结果完全符合我们的预期。
看到这里，也许你会觉得上述实现中的第4个和第5个特化（即__RecursionPairType<0, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>和__RecursionPairType<1, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>版本）似乎是多余的？你可以去掉这些特化，然后编译试试看。
6.3 为可递归Pair的值添加“索引值”
有了上文中__RecursionPairType的铺垫，根据“索引值”获取可递归Pair的某个位置的值这一功能似乎也可以“依葫芦画瓢”进行实现了。同样，让我们先迈出第一步：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过__RecursionPairValue<N, T>::__Get(pairObj)获取“pairObj[N]”的值
template <int N, typename T>
struct __RecursionPairValue;
// 获取__RecursionPair<T1, void>的“pairObj[0]”的值
template <typename T1>
struct __RecursionPairValue<0, __RecursionPair<T1, void>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, void>
typedef __RecursionPair<T1, void> __PairType;
// __Get函数的返回值类型显然就是T1
typedef T1 __ValueType;
// 实际的返回值显然就是pairObj.__first
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
};
让我们继续。接下来实现__RecursionPair<T1, T2>的取值：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, T2>的“pairObj[0]”的值
template <typename T1, typename T2>
struct __RecursionPairValue<0, __RecursionPair<T1, T2>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, T2>
typedef __RecursionPair<T1, T2> __PairType;
// __Get函数的返回值类型显然就是T1
typedef T1 __ValueType;
// 实际的返回值显然就是pairObj.__first
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
};
// 获取__RecursionPair<T1, T2>的“pairObj[1]”的值
template <typename T1, typename T2>
struct __RecursionPairValue<1, __RecursionPair<T1, T2>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, T2>
typedef __RecursionPair<T1, T2> __PairType;
// __Get函数的返回值类型显然就是T2
typedef T2 __ValueType;
// 实际的返回值显然就是pairObj.__second
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj) { return pairObj.__second; }
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj) { return pairObj.__second; }
};
让我们继续。接下来实现__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的取值：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的“pairObj[0]”的值
template <typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairValue<0, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
typedef __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>> __PairType;
// __Get函数的返回值类型显然就是T1
typedef T1 __ValueType;
// 实际的返回值显然就是pairObj.__first
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj) { return pairObj.__first; }
};
// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的“pairObj[1]”的值
template <typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairValue<1, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
typedef __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>> __PairType;
// __Get函数的返回值类型显然就是T2
typedef T2 __ValueType;
// 实际的返回值显然就是pairObj.__second.__first
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj) { return pairObj.__second.__first; }
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj) { return pairObj.__second.__first; }
};
那么，如果N大于1，要怎么办呢？我们需要解决两个问题：
- Get函数的返回值类型是什么？
- 怎么得到“pairObj[N]”的值？
第一个问题的解决方案不言而喻：我们已经实现了可以获取到可递归Pair的任意位置的类型的工具，这当然可以在这里为我们所用；对于第二个问题，我们同样可以基于递归，对pairObj.second进行“拆分”，直至N降至1为止。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 获取__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>的“pairObj[N]”的值
template <int N, typename T1, typename T2, typename T3>
struct __RecursionPairValue<N, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>
{
// __Get函数的参数类型显然就是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
typedef __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>> __PairType;
// __Get函数的返回值类型需要依赖我们前面已经实现的__RecursionPairType获取
typedef typename __RecursionPairType<N, __PairType>::__ValueType __ValueType;
// 我们并没有能力“拆分”pairObj.__second.__second，但是我们可以“寄希望于”递归
static __ValueType &__Get(__PairType &pairObj)
{
return __RecursionPairValue<N - 1, __RecursionPair<T2, T3>>::__Get(pairObj.__second);
}
// 同上
static const __ValueType &__Get(const __PairType &pairObj)
{
return __RecursionPairValue<N - 1, __RecursionPair<T2, T3>>::__Get(pairObj.__second);
}
};
至此，我们就完整实现了根据“索引值”获取可递归Pair的某个位置的值这一工具。让我们来看看效果：
代码语言：javascript复制int main()
{
__RecursionPair<int, __RecursionPair<double, __RecursionPair<char, string>>> testPair;
__RecursionPairValue<3, decltype(testPair)>::__Get(testPair) = "abc";
cout << __RecursionPairValue<3, decltype(testPair)>::__Get(testPair); // abc
}
同样，如果你觉得上述实现中的第4个和第5个特化（即__RecursionPairValue<0, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>和__RecursionPairValue<1, __RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>>版本）是多余的，你可以去掉这些特化，然后编译试试看。
6.4 将“千层饼”擀成“单层饼”
本节将会是整个Tuple的实现中最为精彩的部分！
我们虽然已经实现了针对可递归Pair的取类型和取值工具，但我们还是没有实现出一个“扁平的”真正的Tuple（没错，终于又看到Tuple这个词了）。接下来，我们就开始着手考虑，如何将可递归Pair这张“千层饼”擀平，变成一张“单层饼”Tuple。
如何实现“擀平”这一操作呢？稍加思考不难发现，可递归Pair和Tuple之间似乎存在着这样的一一对应关系：
- 含有一个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, void>
- 含有两个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, T2>
- 含有三个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
- 含有四个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, T4>>>
- ...
如何描述这种“是一个”的语义？哦！是继承！
请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过Tuple<Types...>构造一个Tuple
template <typename... Types>
struct Tuple;
// 含有一个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, void>
template <typename T1>
struct Tuple<T1>: __RecursionPair<T1, void>
{
// 我是一个怎样的__RecursionPair？当然是继承的那个！
typedef __RecursionPair<T1, void> __PairType;
// 构造函数（待实现）
Tuple();
Tuple(const T1 &first);
};
// 含有两个元素的Tuple，就是一个__RecursionPair<T1, T2>
template <typename T1, typename T2>
struct Tuple<T1, T2>: __RecursionPair<T1, T2>
{
// 我是一个怎样的__RecursionPair？当然也是继承的那个！
typedef __RecursionPair<T1, T2> __PairType;
// 构造函数（待实现）
Tuple();
Tuple(const T1 &first, const T2 &second);
};
// 默认构造函数
template <typename T1>
Tuple<T1>::Tuple() = default;
// 只需要调用Tuple的“可递归Pair形态”（即父类）的构造函数即可
template <typename T1>
Tuple<T1>::Tuple(const T1 &first): __PairType(first) {}
// 默认构造函数
template <typename T1, typename T2>
Tuple<T1, T2>::Tuple() = default;
// 同样，只需要调用Tuple的“可递归Pair形态”（即父类）的构造函数即可
template <typename T1, typename T2>
Tuple<T1, T2>::Tuple(const T1 &first, const T2 &second): __PairType(first, second) {}
那么，含有不止两个元素的Tuple，是哪个可递归Pair呢？如果你已经注意到了上面的两个Tuple实现中的“看似无用”的typedef，那么问题就能迎刃而解。这些typedef，保存了当前Tuple所对应的“可递归Pair形态”。从可递归Pair的角度去思考，不难找到以下规律：
- Tuple<T1, T2, T3>的“可递归Pair形态”是__RecursionPair<T1, typename Tuple<T2, T3>::__PairType>，即：将T1，与Tuple<T2, T3>的“可递归Pair形态”放入一个__RecursionPair中，最终得到的结果是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>
- Tuple<T1, T2, T3, T4>的“可递归Pair形态”是__RecursionPair<T1, typename Tuple<T2, T3, T4>::__PairType>，即：将T1，与Tuple<T2, T3, T4>的“可递归Pair形态”放入一个__RecursionPair中（Tuple<T2, T3, T4>的“可递归Pair形态”就是上面已经得到的Tuple<T1, T2, T3>的“可递归Pair形态”），最终得到的结果是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, T4>>>
- ...
- Tuple<T1, Types...>的“可递归Pair形态”是__RecursionPair<T1, typename Tuple<Types...>::__PairType>，即：将T1，与Tuple<Types...>的“可递归Pair形态”放入一个__RecursionPair中，最终得到的结果是__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, ..., __RecursionPair<T(N - 1), T(N)>>>...>
找到了这一规律，代码实现也就轻而易举了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// Tuple<T1, Types...>的“可递归Pair形态”是：将T1，与typename Tuple<Types...>::__PairType
//（即Tuple<Types...>的“可递归Pair形态”）放入一个__RecursionPair中
template <typename T1, typename... Types>
struct Tuple<T1, Types...>: __RecursionPair<T1, typename Tuple<Types...>::__PairType>
{
// 我是一个怎样的__RecursionPair？同样也是继承的那个！
typedef __RecursionPair<T1, typename Tuple<Types...>::__PairType> __PairType;
// 构造函数（待实现）
Tuple();
Tuple(const T1 &first, const Types &... Args);
};
那么，这样的一个含有多个元素的Tuple，其构造函数又该如何实现呢？通过上文的讨论，我们不难发现：不管是什么样的Tuple（从只含有一个元素的Tuple到含有很多个元素的Tuple），其父类都是一个可递归Pair，而可递归Pair也是Pair，其构造函数永远只需要两个值（不管是多么复杂的可递归Pair）。所以，我们仍然可以通过直接调用父类的构造函数来对任意的Tuple进行构造。我们需要哪两个值来调用复杂的可递归Pair的构造函数呢？让我们继续进行“找规律”：
- 为了构造一个Tuple<T1, T2, T3>(Arg1, Arg2, Arg3)，我们需要构造一个typename Tuple<T1, T2, T3>::__PairType，即一个__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, T3>>，其中，T1来自于Arg1，而__RecursionPair<T2, T3>可以通过构造一个Tuple<T2, T3>(Arg2, Arg3)得到（因为一个Tuple<T2, T3>就是一个__RecursionPair<T2, T3>）
- 为了构造一个Tuple<T1, T2, T3, T4>(Arg1, Arg2, Arg3, Arg4)，我们需要构造一个typename Tuple<T1, T2, T3, T4>::__PairType，即一个__RecursionPair<T1, __RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, T4>>>，其中，T1同样来自于Arg1，而__RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, T4>>可以通过构造一个Tuple<T2, T3, T4>(Arg2, Arg3, Arg4)得到（因为一个Tuple<T2, T3, T4>就是一个__RecursionPair<T2, __RecursionPair<T3, T4>>）
- ...
- 为了构造一个Tuple<T1, Types...>(first, Args...)，我们需要构造一个typename Tuple<T1, Types...>::__PairType，即一个__RecursionPair<T1, typename Tuple<Types...>::__PairType>，其中，T1来自于first，而typename Tuple<Types...>::__PairType可以通过构造一个Tuple<Types...>(Args...)得到（因为一个Tuple<Types...>就是一个typename Tuple<Types...>::__PairType）
我们再一次通过找规律的方法得到了结论！接下来就可以进行代码实现了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 默认构造函数
template <typename T1, typename... Types>
Tuple<T1, Types...>::Tuple() = default;
// 只需要调用Tuple的“可递归Pair形态”（即父类）的构造函数即可
// 构造__PairType的两个参数分别来自于first与构造Tuple<Types...>(Args...)所得到的一个__RecursionPair
template <typename T1, typename... Types>
Tuple<T1, Types...>::Tuple(const T1 &first, const Types &... Args):
__PairType(first, Tuple<Types...>(Args...)) {}
至此，Tuple的实现中最重要的部分：Tuple的构造函数，也就全部实现完毕了。让我们立即来试用一下。请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
Tuple<int, double, char, string> sampleTuple(1, 2., '3', "4");
cout << __RecursionPairValue<0, decltype(sampleTuple)::__PairType>::__Get(sampleTuple) << endl; // 1
cout << __RecursionPairValue<1, decltype(sampleTuple)::__PairType>::__Get(sampleTuple) << endl; // 2
cout << __RecursionPairValue<2, decltype(sampleTuple)::__PairType>::__Get(sampleTuple) << endl; // 3
cout << __RecursionPairValue<3, decltype(sampleTuple)::__PairType>::__Get(sampleTuple) << endl; // 4
}
由此可见，Tuple的构造函数工作正常（虽然我们暂时还只能通过“可递归Pair时代”的工具获取到其内部的值）。
6.5 Tuple的其他功能的实现
最后，就是一些简单的周边功能的实现了。
首先是MakeTuple快捷函数，此函数只需要使用一个可变参数模板封装Tuple的构造函数即可。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename... Types>
inline Tuple<Types...> MakeTuple(const Types &... Args)
{
return Tuple<Types...>(Args...);
}
int main()
{
auto sampleTuple = MakeTuple(1, 2., '3');
}
然后是根据“索引值”获取Tuple的某个位置的类型的类，实现时只需要将全部操作直接委托给我们已经实现的__RecursionPairType即可。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
// 通过typename TupleType<N, T>::Type获取“T[N]”的类型
template <int N, typename T>
struct TupleType;
// 仅当T是一个Tuple时，此类才有意义
template <int N, typename... Types>
struct TupleType<N, Tuple<Types...>>
{
// 使用__RecursionPairType作用于Tuple<Types...>的“可递归Pair形态”上，就能获取“Tuple<Types...>[N]”的类型
typedef typename __RecursionPairType<N, typename Tuple<Types...>::__PairType>::__ValueType Type;
};
int main()
{
Tuple<int, double, char, string> sampleTuple(1, 2., '3', "4");
cout << typeid(TupleType<0, decltype(sampleTuple)>::Type).name() << endl; // int
cout << typeid(TupleType<1, decltype(sampleTuple)>::Type).name() << endl; // double
cout << typeid(TupleType<2, decltype(sampleTuple)>::Type).name() << endl; // char
cout << typeid(TupleType<3, decltype(sampleTuple)>::Type).name() << endl; // string
}
然后是根据“索引值”获取Tuple的某个位置的值的函数，实现时只需要将全部操作直接委托给我们已经实现的TupleType以及__RecursionPairValue即可。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 函数的返回值就是typename TupleType<N, Tuple<Types...>>::Type
template <int N, typename... Types>
inline typename TupleType<N, Tuple<Types...>>::Type &Get(Tuple<Types...> &tupleObj)
{
// 使用__RecursionPairValue作用于Tuple<Types...>的“可递归Pair形态”上，就能获取“tupleObj[N]”的值
return __RecursionPairValue<N, typename Tuple<Types...>::__PairType>::__Get(tupleObj);
}
// 同上
template <int N, typename... Types>
inline const typename TupleType<N, Tuple<Types...>>::Type &Get(const Tuple<Types...> &tupleObj)
{
return __RecursionPairValue<N, typename Tuple<Types...>::__PairType>::__Get(tupleObj);
}
int main()
{
Tuple<int, double, char, string> sampleTuple(1, 2., '3', "4");
cout << Get<0>(sampleTuple) << endl; // 1
cout << Get<1>(sampleTuple) << endl; // 2
cout << Get<2>(sampleTuple) << endl; // 3
cout << Get<3>(sampleTuple) << endl; // 4
}
最后是获取Tuple的长度的类，直接使用sizeof...(Types)即可。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 原型
template <typename T>
struct TupleSize;
// 仅当T是一个Tuple时，此类才有意义
template <typename... Types>
struct TupleSize<Tuple<Types...>>
{
// Tuple的长度显然就是Tuple的可变模板参数的数量
static constexpr int Size = sizeof...(Types);
};
int main()
{
cout << TupleSize<Tuple<int, double, char, string>>::Size << endl; // 4
}
至此，Tuple的实现也就全部完成了。
6.6 本章后记
Tuple，作为一个看起来已然“突破极限”的高级容器，其背后的核心竟然只是一个“平淡无奇”的Pair，这不得不令人惊讶于基于模板的高阶抽象的威力。在Tuple的实现过程中，我们充分利用了模板偏特化，用以描绘出各种不同“形态”的可递归Pair；我们也使用了继承，用以描绘出Tuple与可递归Pair的一一对应关系。在这里，模板与继承，这两个“不同世界的产物”，被巧妙的结合在了一起，最终为我们带来了一场十分精彩的二重奏！
7 模板与高性能计算的极佳配合——表达式模板
表达式模板？什么？你没听说过？那就对了！通过本章的讨论，你就会了解到：模板是如何在用户无感知的前提下，将高性能计算引入我们的程序中的。
7.1 表达式的困境
让我们从一个看似很简单的问题开始：
代码语言：javascript复制如何实现向量的加法运算？
如果使用STL的array表示向量，不难做出以下实现：
代码语言：javascript复制template <typename T, size_t N>
array<T, N> operator (const array<T, N> &lhs, const array<T, N> &rhs)
{
array<T, N> resArray;
for (int idx = 0; idx < N; idx ) resArray[idx] = lhs[idx] rhs[idx];
return resArray;
}
int main()
{
array<int, 3> lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6}, res;
res = lhs rhs;
for (auto val: res) cout << val << endl; // 5 7 9
}
这个实现有什么问题呢？请看以下示例：
代码语言：javascript复制lhs rhs lhs rhs lhs rhs lhs rhs lhs rhs; // 哦！大量的冗余计算！
在上面这个“10连加”表达式中，operator 函数一共被调用了9次，这也就意味着：函数体内的resArray临时变量被创建、return了9次（假设没有NRV优化），for循环也被执行了9次，而这还只是一次“10连加”所造成的结果。可想而知，在计算量变得越来越大时，这是多么大的时间耗费！此时，我们不难想到，上述的“10连加”表达式实际上能够被优化为如下实现：
代码语言：javascript复制// 实际上只需要一次函数调用
template <typename T, size_t N>
array<T, N> operator (const array<T, N> &lhs, const array<T, N> &rhs)
{
array<T, N> resArray;
// 实际上也只需要一次循环
for (int idx = 0; idx < N; idx )
{
// 只需要在循环体内执行“10连加”即可
resArray[idx] = lhs[idx] rhs[idx] lhs[idx] rhs[idx] lhs[idx]
rhs[idx] lhs[idx] rhs[idx] lhs[idx] rhs[idx];
}
return resArray;
}
可问题是，编译器就算有能力优化成这样的实现，其也不能优化成这样。这是由于C 的表达式语义本就是“积极主动的”，当编译器看到lhs rhs...时，其就必须遵守C 的语义规定，立即计算此加法，而“暂且不顾”后续表达式。
看来，编译器优化是彻底不可能帮得上忙了。这让我们陷入了困境之中。
7.2 一个天马行空的想法
既然编译器帮不上忙，那我们是否能通过某种技术，“绕过”编译器的这种主动计算呢？如果你的想象力足够丰富，也许你会有这样的想法：
代码语言：javascript复制能否将表达式看作某种“字符串”，这样，加法就相当于“字符串的拼接”呢？而当我们真的需要表达式的结果时，我们可以实现一个对“表达式字符串”进行求值的函数来进行求值。
这是一个天马行空的想法，但基于模板，这个想法是真的可以实现的！这就是本章将要讨论的表达式模板技术。
7.3 向量类的实现
首先，让我们实现一个Array类，用于存放一个向量。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename T, int N>
class __Array
{
public:
// 构造函数
__Array();
explicit __Array(const T &val);
__Array(initializer_list<T> initializerList);
// operator[]
T &operator[](int idx) { return __data[idx]; }
const T &operator[](int idx) const { return __data[idx]; }
private:
// 一个C语言数组，用于存放向量
T __data[N];
};
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array() = default;
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array(const T &val)
{
for (int idx = 0; idx < N; idx )
{
__data[idx] = val;
}
}
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array(initializer_list<T> initializerList)
{
int idx = 0;
for (auto &val: initializerList)
{
__data[idx ] = val;
}
}
int main()
{
__Array<int, 3> lhs {1, 2, 3};
for (int idx = 0; idx < 3; idx ) cout << lhs[idx] << endl; // 1 2 3
}
我们为这个Array实现了默认构造函数，Fill构造函数，initializer_list构造函数，以及operator[]重载。看上去平淡无奇，不是吗？
7.4 “表达式字符串”的实现
接下来，我们就来实现上文中的“表达式字符串”（当然，我们不是真的去实现一个特殊的字符串）。一个“表达式字符串”，如“lhs rhs”，是由哪几部分组成的呢？显然，其是由lhs、“ ”以及rhs组成，其中，lhs与rhs代表的是某个值，而“ ”代表的是一个动作。如果我们使用两个变量分别存放lhs与rhs，并使用一个函数表达“ ”这一动作，我们就能够实现出一个“表达式字符串”了。而将这些内容封装进一个模板中，我们也就得到了一个“表达式模板”。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 加法表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Plus
{
public:
// 构造函数
__Plus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// 当对这个表达式模板进行[...]运算的时候，就能得到这个表达式模板在某个“索引值”位置上的加法计算的结果
// 也就是说，表达式模板也是某种从外观上看和向量别无二致的东西
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] __rhs[idx]; }
private:
// 用于保存LExpr与RExpr的引用的数据成员
const LExpr &__lhs;
const RExpr &__rhs;
};
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Plus<T, LExpr, RExpr>::__Plus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs):
__lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
__Plus的模板参数包含加法的返回值类型T，以及左右值类型LExpr和RExpr；在__Plus中，我们声明了两个分别指向LExpr和RExpr的引用；而在构造函数中，lhs、rhs被分别绑定至类中的两个引用上，此时，我们并没有执行任何加法运算。那么，什么时候才执行加法运算呢？从代码中不难看出，直到operator[]时，才会真正计算加法。
这是一种利用模板实现的“惰性计算”技术，当加法语义出现时，我们并没有真的执行加法，而只是执行了一次成本很低的“记录”操作，我们记录了执行一次加法所需要的全部信息：左值、加这个动作、以及右值。仅当真正需要加法的结果时，__Plus才会“在我们强硬的驱使下”计算加法。并且，就算是在这种“强硬的驱使下”，__Plus每次也只会计算一个位置的加法。这就使得__Plus能够最大程度的规避无意义的加法计算（设想我们进行了一次十万维向量的加法，但我们只需要知道第五万维这一个位置的加法结果）。
此外，__Plus在设计上刻意的模仿了__Array的操作，这就使得__Plus也能够像一个__Array那样具有“索引值”。这样做的意义是什么呢？仅仅是为了方便、美观吗？我们将在下一节中揭晓答案。
接下来，让我们试着使用一下__Plus类，体验一下这种“惰性计算”技术。请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
__Array<int, 3> lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6};
// 保存了lhs rhs这个表达式，但不对其进行计算
__Plus<int, __Array<int, 3>, __Array<int, 3>> res(lhs, rhs);
for (int idx = 0; idx < 3; idx )
{
// 这里才计算加法
cout << res[idx] << endl;
}
}
看到这里，也许你会恍然大悟：“哦！这个__Plus和上一章的可递归Pair一样，也是可以递归的！”请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
__Array<int, 3> lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6};
// 保存了lhs rhs lhs这个表达式，但不对其进行计算
// 可是这也太反人类了吧！
__Plus<int, __Array<int, 3>, __Array<int, 3>> tmp(lhs, rhs);
__Plus<int, __Plus<int, __Array<int, 3>, __Array<int, 3>>, __Array<int, 3>> res(tmp, lhs);
for (int idx = 0; idx < 3; idx )
{
// 这里才计算加法
cout << res[idx] << endl;
}
}
我们通过整整两行的“超长”代码，“终于”实现了lhs rhs lhs的惰性加法。显然，这样的实现是非常“反人类”的，有什么办法能对其进行简化，甚至让用户无感知呢？稍加思索就能够发现，只要使用运算符重载，我们就能把所有这些都隐藏于幕后，只留下lhs rhs lhs本身。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template </* 这里写什么？*/>
/* 这里写什么？*/ operator (const /* 这里写什么？*/ &lhs, const /* 这里写什么？*/ &rhs)
{
return /* 这里写什么？*/;
}
int main()
{
/* 这里写什么？*/ lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6}, res;
// 最终的效果，太棒了！
res = lhs rhs lhs;
for (int idx = 0; idx < 3; idx )
{
cout << res[idx] << endl;
}
}
对于operator ，其需要同时满足“__Array __Array”、“__Array __Plus”、“__Plus __Array”、“__Plus __Plus”等等的“排列组合”（并且，请不要忘了：除了“加”，还有“减乘除”呢！）。这就使得我们难以确定lhs与rhs的类型。难道真的要为每种情况都写一个operator 重载吗？请接着往下看。
7.5 再加一层抽象
如何规避这种“排列组合”呢？让我们开拓一下思维，不难发现：单独的一个__Array是一个表达式，而__Plus（任意两个表达式相加的结果）也是一个表达式，并且他们的共性即在于，都是可以基于operator[]进行表达式求值的。至此，解决方案水落石出：我们可以在__Array和__Plus之上再增加一个抽象层，表达“表达式”语义，而__Array和__Plus在此抽象层中并无区别，都是一个可以进行operator[]运算的“表达式”。此时你应该能够明白：为什么__Plus要“刻意”模仿__Array的operator[]了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename T, int N, typename Expr>
class __Expression
{
public:
// 适用于__Array的构造函数
__Expression();
explicit __Expression(const T &val);
__Expression(initializer_list<T> initializerList);
// 适用于__Plus的构造函数
__Expression(const Expr &expr);
// operator[]直接委托给__expr执行
T &operator[](int idx) { return __expr[idx]; }
T operator[](int idx) const { return __expr[idx]; }
// operator=
template <typename RExpr>
__Expression &operator=(const __Expression<T, N, RExpr> &rhs);
private:
// __expr可能是一个__Array，也可能是一个__Plus
Expr __expr;
};
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression() = default;
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(const T &val): __expr(val) {}
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(initializer_list<T> initializerList): __expr(initializerList) {}
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(const Expr &expr): __expr(expr) {}
// operator=直接委托给__expr执行
// 直到operator=发生时，rhs才会真正被计算
template <typename T, int N, typename Expr>
template <typename RhsExpr>
__Expression<T, N, Expr> &__Expression<T, N, Expr>::operator=(
const __Expression<T, N, RhsExpr> &rhs)
{
for (int idx = 0; idx < N; idx )
{
// 计算rhs[idx]的值，并赋值给左值
__expr[idx] = rhs[idx];
}
return *this;
}
让我们来分析这一实现：既然我们需要将__Array和__Plus都抽象为一个表达式，那么我们就可以增加一个模板参数Expr，用以标明这个__Expression到底是什么（是__Array还是__Plus）。由于Expr既可以是__Array又可以是__Plus，我们就需要实现多个构造函数，使得这两种类型的值都可以在__Expression中构造。所以，我们实现了三个和__Array的三个构造函数功能一致的构造函数，以及可以使用一个Expr作为参数的构造函数。然后，我们将operator[]和operator=都直接委托给__expr执行。
显然，当用户在使用的时候，__Expression的Expr模板参数必须是__Array，所以我们可以声明一个固定了Expr模板参数的模板，作为面向用户的Array接口。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 最终面向用户的Array接口
template <typename T, int N>
using Array = __Expression<T, N, __Array<T, N>>;
同时，作为实现者，我们也可以创造一些更复杂的Expr模板参数。所以，就让我们来实现上一节中未能实现的operator 吧。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// __Expression<T, N, LExpr> __Expression<T, N, RExpr>的结果是一个新的__Expression
// 其第一、二模板参数不变，第三模板参数是LExpr RExpr的结果，即__Plus<T, LExpr, RExpr>
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, RExpr>> operator (
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
// 用lhs与rhs的__expr，构造出一个__Plus
// 再用这个__Plus，构造出一个新的__Expression（使用的是__Expression的第四构造函数）
return __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, RExpr>>(
__Plus<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
看上去很复杂的样子？让我们来分析一下。首先，由于我们并不知道lhs和rhs的Expr分别是什么（二者都可能是__Array，如果这是一个“新的”Array；或__Plus，如果这已经是一个表达式），所以我们需要两个模板参数LExpr与RExpr，以分别代表lhs和rhs的Expr类型；但同时我们知道，只有相同类型的Array之间可以进行运算，所以我们只需要一套T与N即可。所以，两个形参分别是const Array<T, N, LExpr> &lhs与const Array<T, N, RExpr> &rhs。
返回值是什么呢？不难发现，当__Expression<T, N, LExpr>与__Expression<T, N, RExpr>相加后，结果仍然是一个新的__Expression，而真正需要相加的其实是LExpr与RExpr，且相加的结果是__Plus<T, LExpr, RExpr>（事实上，相加的结果也可以就是__Plus<T, __Expression<T, N, LExpr>, __Expression<T, N, RExpr>>，你一定不难想出其中原因。但很明显，这样的代码也实在是太长，太反人类了），故返回值的类型就是一个Expr模板参数为__Plus<T, LExpr, RExpr>的__Expression，即__Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, RExpr>>，而实际的返回值需要先使用lhs与rhs的__expr，构造出一个__Plus，再用这个__Plus，构造出一个新的__Expression。这里使用的是__Expression的第四构造函数。
现在，让我们试着使用一下我们刚刚实现的Array（请注意：如果你现在就实际编译以下这段代码，请去除__Expression的__expr的private限定，或为operator 函数进行友元授权）。请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
// lhs，rhs，res的实际类型都是__Expression<int, 3, __Array<int, 3>>
Array<int, 3> lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6}, res;
// “什么都不做”（不会进行实际的运算）
lhs rhs lhs;
// lhs rhs...的类型是__Expression<int, 3, __Plus<__Array<int, 3>, __Array<int, 3>>>
// ... lhs的类型是__Expression<int, 3, __Plus<__Plus<__Array<int, 3>, __Array<int, 3>>, __Array<int, 3>>>
// 直到operator=发生时，才会进行实际的运算
res = lhs rhs lhs;
for (int idx = 0; idx < 3; idx )
{
// 此时，res[idx]就是一次指针运算
cout << res[idx] << endl;
}
}
观察上述代码不难发现，我们仅仅才做了两次加法，__Expression的类型就已经“长的没法看”了。但是事实上，我们根本就不用关心__Expression的类型究竟是什么，而只需要牢记以下两点即可：
- 不管进行多少次计算，或一次计算都还没有进行（即一个Array），我们所操作的都是一个（可能具有很复杂类型的）__Expression
- 对__Expression进行operator[]，就相当于对__Expression中的__expr进行operator[]；而__expr无非只有两种情况：其要么是一个__Array，此时，operator[]就相当于一次数组取值；要么是一个__Plus，此时，operator[]就相当于递归地调用lhs[idx] rhs[idx]，直到lhs与rhs都不再是一个__Plus为止
由此可见，__Expression一方面为用户提供了对于表达式模板的存在无感知的Array类，另一方面又丝毫不丢失其作为表达式模板的功能，实在是一个优秀的“左右开弓”类；另一方面，由于我们的__Array与__Plus均实现了统一的operator[]接口，这就使得__Expression能够“自适应地”最终实现对其自身的求值。以上种种，都能够为我们展现出“抽象”这一思想的精彩之处。
7.6 让标量也加入进来
在数学中，一个向量不仅可以和另一个向量相加，还可以和一个标量（即一个T类型的值）相加。本节我们就来实现这一功能。
如何让标量也加入我们的“__Expression大家族”中呢？没错，关键就在于我们在上几节已经“老生常谈”的operator[]。虽然标量根本就没有operator[]这一概念，我们也可以“强行的”为其添加这一概念，以使其适配__Expression的需要。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 为标量提供的封装类，从而使得标量也能够适配__Expression
template <typename T>
class __Scalar
{
public:
// 构造函数
__Scalar(T val);
// 强行为标量提供一个“莫名其妙的”operator[]
// 不管索引值是多少（事实上我们根本就无视了这个索引值），都返回val
T operator[](int) const { return __val; }
private:
// 使用一个T类型的数据成员存放构造函数中的val
T __val;
};
template <typename T>
__Scalar<T>::__Scalar(T val): __val(val) {}
此时，__Expression的Expr模板参数就不仅可以是__Array或__Plus，还可以是__Scalar了。
让我们继续，实现适用于__Expression与__Scalar之间的加法的运算符重载。请看以下示例：
代码语言：javascript复制// __Expression<T, N, LExpr> T
// 其结果为__Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator (
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
// 先使用rhs构造出一个__Scalar<T>
// 再使用lhs的__expr和__Scalar<T>构造出一个__Plus
// 最后使用一个__Plus构造出一个新的__Expression
return __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// T __Expression<T, N, RExpr>
// 其结果为：__Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator (
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
// 先使用lhs构造出一个__Scalar<T>
// 再使用__Scalar<T>和rhs的__expr构造出一个__Plus
// 最后使用一个__Plus构造出一个新的__Expression
return __Expression<T, N, __Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
在我们试用这一功能前，其实还有一件事是没有完成的。请设想：当我们写下“lhs 1”这一表达式时，这里的“1”显然是一个临时量，而如果使用我们现在所实现的__Plus，那么这个临时量“1”将被存入一个引用中。这将立即导致“悬挂引用”的发生！所以，我们需要实现一个简单的Traits类，在面对一个__Scalar时，将__Plus中的数据成员类型，从引用类型自动切换至值类型。这一Traits的实现非常简单，请看以下示例：
代码语言：javascript复制// 不管T是是什么，都萃取出一个const T &类型...
template <typename T>
struct __ScalarTypeTraits
{
typedef const T &__Type;
};
// ...但是，如果T是一个__Scalar<T>类型，则萃取出一个__Scalar<T>类型
template <typename T>
struct __ScalarTypeTraits<__Scalar<T>>
{
typedef __Scalar<T> __Type;
};
有了这个Traits，我们就可以使用这个Traits改进我们的__Plus类了。请看以下示例：
代码语言：javascript复制template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Plus
{
// ...
private:
// 原实现：
// const LExpr &__lhs;
// const RExpr &__rhs;
// 改进后的实现：
// 在LExpr（或RExpr）为__Scalar<LExpr>（或__Scalar<RExpr>）时
// __Type将从引用类型自动切换至值类型
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
至此，我们就可以将标量也加入到表达式模板中了（请注意：如果你现在就实际编译以下这段代码，请去除__Expression的__expr的private限定，或为operator 函数进行友元授权）。请看以下示例：
代码语言：javascript复制int main()
{
Array<int, 3> lhs {1, 2, 3}, rhs {4, 5, 6}, res;
// 加入标量
res = lhs rhs lhs 1;
// 7 10 13
for (int idx = 0; idx < 3; idx )
{
cout << res[idx] << endl;
}
}
本节中，我们通过一个对标量的简单的封装类，使得标量也能够加入到表达式模板中；同时，为了避免标量临时量所引发的“悬挂引用”问题，我们又实现了一个简单的Traits类，用于在面对标量时自动将表达式模板中的引用类型切换为值类型。
至此，表达式模板的全部技术就都讨论完毕了。下一节，我们将最终给出表达式模板的完整实现。
7.7 完整的实现
由于本章的代码较为分散，且我们仍有很多重复性的代码没有于上文中给出。故本节中，我们将给出表达式模板的完整实现。主要包含以下几点新增内容：
- 我们不仅需要实现operator ，还要实现operator-、operator*、operator/和operator%。这些实现都是operator 的简单重复
- 我们需要为所有的operator函数添加友元授权
- 我们需要为__Expression实现operator<<重载（实现方案与operator=一致）
请看以下示例：
代码语言：javascript复制// “梦开始的地方”：__Array类
template <typename T, int N>
class __Array
{
public:
// 构造函数
__Array();
explicit __Array(const T &val);
__Array(initializer_list<T> initializerList);
// operator[]
T &operator[](int idx) { return __data[idx]; }
const T &operator[](int idx) const { return __data[idx]; }
private:
// 数据成员
T __data[N];
};
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array() = default;
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array(const T &val)
{
for (int idx = 0; idx < N; idx )
{
__data[idx] = val;
}
}
template <typename T, int N>
__Array<T, N>::__Array(initializer_list<T> initializerList)
{
int idx = 0;
for (auto &val: initializerList)
{
__data[idx ] = val;
}
}
// 标量适配器
template <typename T>
class __Scalar
{
public:
// 构造函数
__Scalar(T val);
// operator[]
T operator[](int) const { return __val; }
private:
// 数据成员
T __val;
};
template <typename T>
__Scalar<T>::__Scalar(T val): __val(val) {}
// 标量值类型萃取器
template <typename T>
struct __ScalarTypeTraits
{
typedef const T &__Type;
};
template <typename T>
struct __ScalarTypeTraits<__Scalar<T>>
{
typedef __Scalar<T> __Type;
};
// 加法表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Plus
{
public:
// 构造函数
__Plus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// operator[]
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] __rhs[idx]; }
private:
// 数据成员
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
// 减法表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Minus
{
public:
// 构造函数
__Minus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// operator[]
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] - __rhs[idx]; }
private:
// 数据成员
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
// 乘法表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Multiplies
{
public:
// 构造函数
__Multiplies(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// operator[]
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] * __rhs[idx]; }
private:
// 数据成员
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
// 除法表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Divides
{
public:
// 构造函数
__Divides(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// operator[]
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] / __rhs[idx]; }
private:
// 数据成员
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
// 取模表达式模板
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
class __Modulus
{
public:
// 构造函数
__Modulus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs);
// operator[]
T operator[](int idx) const { return __lhs[idx] % __rhs[idx]; }
private:
// 数据成员
typename __ScalarTypeTraits<LExpr>::__Type __lhs;
typename __ScalarTypeTraits<RExpr>::__Type __rhs;
};
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Plus<T, LExpr, RExpr>::__Plus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs): __lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Minus<T, LExpr, RExpr>::__Minus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs): __lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Multiplies<T, LExpr, RExpr>::__Multiplies(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs): __lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Divides<T, LExpr, RExpr>::__Divides(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs): __lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
template <typename T, typename LExpr, typename RExpr>
__Modulus<T, LExpr, RExpr>::__Modulus(const LExpr &lhs, const RExpr &rhs): __lhs(lhs), __rhs(rhs) {}
// __Expression表达式类
template <typename T, int N, typename Expr>
class __Expression
{
public:
// 构造函数
__Expression();
explicit __Expression(const T &val);
__Expression(initializer_list<T> initializerList);
__Expression(const Expr &expr);
// operator[]
T &operator[](int idx) { return __expr[idx]; }
T operator[](int idx) const { return __expr[idx]; }
// operator=
template <typename RExpr>
__Expression &operator=(const __Expression<T, N, RExpr> &rhs);
private:
// 数据成员
Expr __expr;
// 以下均为友元授权
// operator
template <typename T_, int N_, typename LExpr, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Plus<T_, LExpr, RExpr>> operator (
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
template <typename T_, int N_, typename LExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Plus<T_, LExpr, __Scalar<T_>>> operator (
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const T_ &rhs);
template <typename T_, int N_, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Plus<T_, __Scalar<T_>, RExpr>> operator (
const T_ &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
// operator-
template <typename T_, int N_, typename LExpr, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Minus<T_, LExpr, RExpr>> operator-(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
template <typename T_, int N_, typename LExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Minus<T_, LExpr, __Scalar<T_>>> operator-(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const T_ &rhs);
template <typename T_, int N_, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Minus<T_, __Scalar<T_>, RExpr>> operator-(
const T_ &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
// operator*
template <typename T_, int N_, typename LExpr, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Multiplies<T_, LExpr, RExpr>> operator*(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
template <typename T_, int N_, typename LExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Multiplies<T_, LExpr, __Scalar<T_>>> operator*(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const T_ &rhs);
template <typename T_, int N_, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Multiplies<T_, __Scalar<T_>, RExpr>> operator*(
const T_ &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
// operator/
template <typename T_, int N_, typename LExpr, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Divides<T_, LExpr, RExpr>> operator/(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
template <typename T_, int N_, typename LExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Divides<T_, LExpr, __Scalar<T_>>> operator/(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const T_ &rhs);
template <typename T_, int N_, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Divides<T_, __Scalar<T_>, RExpr>> operator/(
const T_ &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
// operator%
template <typename T_, int N_, typename LExpr, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Modulus<T_, LExpr, RExpr>> operator%(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
template <typename T_, int N_, typename LExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Modulus<T_, LExpr, __Scalar<T_>>> operator%(
const __Expression<T_, N_, LExpr> &lhs, const T_ &rhs);
template <typename T_, int N_, typename RExpr>
friend inline __Expression<T_, N_, __Modulus<T_, __Scalar<T_>, RExpr>> operator%(
const T_ &lhs, const __Expression<T_, N_, RExpr> &rhs);
};
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression() = default;
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(const T &val): __expr(val) {}
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(initializer_list<T> initializerList): __expr(initializerList) {}
template <typename T, int N, typename Expr>
__Expression<T, N, Expr>::__Expression(const Expr &expr): __expr(expr) {}
template <typename T, int N, typename Expr>
template <typename RhsExpr>
__Expression<T, N, Expr> &__Expression<T, N, Expr>::operator=(
const __Expression<T, N, RhsExpr> &rhs)
{
for (int idx = 0; idx < N; idx )
{
__expr[idx] = rhs[idx];
}
return *this;
}
// 运算符重载
// __Expression __Expression
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, RExpr>> operator (
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, RExpr>>(
__Plus<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
// __Expression __Scalar
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator (
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Plus<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// __Scalar __Expression
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator (
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Plus<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
// __Expression - __Expression
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Minus<T, LExpr, RExpr>> operator-(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Minus<T, LExpr, RExpr>>(
__Minus<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
// __Expression - __Scalar
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Minus<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator-(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Minus<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Minus<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// __Scalar - __Expression
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Minus<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator-(
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Minus<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Minus<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
// __Expression * __Expression
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Multiplies<T, LExpr, RExpr>> operator*(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Multiplies<T, LExpr, RExpr>>(
__Multiplies<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
// __Expression * __Scalar
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Multiplies<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator*(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Multiplies<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Multiplies<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// __Scalar * __Expression
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Multiplies<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator*(
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Multiplies<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Multiplies<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
// __Expression / __Expression
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Divides<T, LExpr, RExpr>> operator/(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Divides<T, LExpr, RExpr>>(
__Divides<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
// __Expression / __Scalar
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Divides<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator/(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Divides<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Divides<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// __Scalar / __Expression
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Divides<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator/(
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Divides<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Divides<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
// __Expression % __Expression
template <typename T, int N, typename LExpr, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Modulus<T, LExpr, RExpr>> operator%(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Modulus<T, LExpr, RExpr>>(
__Modulus<T, LExpr, RExpr>(lhs.__expr, rhs.__expr));
}
// __Expression % __Scalar
template <typename T, int N, typename LExpr>
inline __Expression<T, N, __Modulus<T, LExpr, __Scalar<T>>> operator%(
const __Expression<T, N, LExpr> &lhs, const T &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Modulus<T, LExpr, __Scalar<T>>>(
__Modulus<T, LExpr, __Scalar<T>>(lhs.__expr, __Scalar<T>(rhs)));
}
// __Scalar % __Expression
template <typename T, int N, typename RExpr>
inline __Expression<T, N, __Modulus<T, __Scalar<T>, RExpr>> operator%(
const T &lhs, const __Expression<T, N, RExpr> &rhs)
{
return __Expression<T, N, __Modulus<T, __Scalar<T>, RExpr>>(
__Modulus<T, __Scalar<T>, RExpr>(__Scalar<T>(lhs), rhs.__expr));
}
// 适用于__Expression的operator<<重载
template <typename T, int N, typename Expr>
ostream &operator<<(ostream &os, const __Expression<T, N, Expr> &expressionObj)
{
os << '[';
if (N)
{
os << expressionObj[0];
for (int idx = 1; idx < N; idx )
{
os << ", " << expressionObj[idx];
}
}
os << ']';
return os;
}
// 最终供用户使用的Array类
template <typename T, int N>
using Array = __Expression<T, N, __Array<T, N>>;
int main()
{
// 默认构造函数
Array<int, 3> sampleArrayA; // [?, ?, ?]
// Fill构造函数
Array<int, 3> sampleArrayB(0); // [0, 0, 0]
// initializer_list构造函数
Array<int, 3> sampleArrayC {1, 2, 3}; // [1, 2, 3]
// 拷贝构造函数
Array<int, 3> sampleArrayD(sampleArrayC); // [1, 2, 3]
// 四则运算
Array<int, 3> arrayA {1, 2, 3}, arrayB {4, 5, 6}, resArray;
// operator<<
cout << arrayA << endl; // [1, 2, 3]
cout << arrayB << endl; // [4, 5, 6]
cout << resArray << endl; // [?, ?, ?]
// 惰性计算
arrayA arrayB; // 什么都不做！
cout << arrayA arrayB << endl; // [5, 7, 9]
// operator
resArray = 2 arrayA arrayB 2;
cout << resArray << endl; // [9, 11, 13]
// operator-
resArray = 2 - arrayA - arrayB - 2;
cout << resArray << endl; // [-5, -7, -9]
// operator*
resArray = 2 * arrayA * arrayB * 2;
cout << resArray << endl; // [16, 40, 72]
// operator/
resArray = 200 / arrayB / arrayA / 2;
cout << resArray << endl; // [25, 10, 5]
// operator%
resArray = 17 % arrayA % arrayB % 5;
cout << resArray << endl; // [0, 1, 2]
}
至此，表达式模板的实现也就全部完成了。
7.8 本章后记
表达式模板，作为一种服务于高性能计算场合的模板技术，被广泛应用于各种线性代数库中（如著名的Eigen库）。表达式模板的精彩之处在于：其充分利用了多级模板抽象所带来的更大的抽象能力，将表达式模板中产生的重重复杂类型完全隐藏于代码实现中，使得用户既能够像书写普通表达式那样进行公式的编码，亦能够享受到表达式模板所带来的极佳效率。模板在高性能计算领域的这一应用，既为模板技术再添精彩一笔，也为我们的故事画上了句号...
8 模板是黑魔法吗？——后记
模板，最早于上世纪90年代被引入至C ，此后的多年内，模板技术迅速发展，促使了大量与之相关的程序设计技术的出现与成熟，并直接导致了STL的出现。在模板出现的几年后，一份“通过报错信息计算质数”的程序代码彻底刷新了人们对于模板的认知，这直接导致了“模板元编程”这一概念的出现（本文作者原想以此份代码的解读作为后记前的最后一章，但这份代码已年代久远，已经不能在作者的GCC编译器上得到理想的效果了，故抱憾作罢）。C 98标准的确立，催生了包括《C Templates: The Complete Guide》、《Modern C Design》等大量优秀著作的产生。正如《Modern C Design》一书的中文译序中所言，这些书籍所讲述的技术，使得我们不再认为模板只是一位“戴上了新帽子”的旧朋友。阅读这些书籍，一定能让你对模板这一技术具有更深入，更全面的认知。
模板是黑魔法吗？类似的问题还有很多（例如：Python的元类是黑魔法吗？）。如果你是一个狂热的模板爱好者，你一定会回答：不！模板是很有用的工具！而如果你对模板不是很感兴趣，或仅仅是因为在学习模板的过程中感到吃力，也许你会对模板的实用性存疑。人对某一个学术领域，某一项技术的认知，必将随着学识、心态、技术本身的兴衰等因素的变化而不断的发生着变化。所以这个问题地答案，也就等着读者你自己去不断的回答了。
注：本文中的部分程序已完整实现于本文作者的Github上，列举如下：
- 编译期分数：https://github.com/yingyulou/Fraction
- print函数：https://github.com/yingyulou/pprint
- Tuple：https://github.com/yingyulou/Tuple
- 表达式模板：https://github.com/yingyulou/ExprTmpl
作者：樱雨楼，毕业于生物信息学专业，是一枚 Python/C /Perl 开发，R 语言黑粉，Github 勾搭 https://github.com/yingyulou
