Просмотр исходного текста страницы Метапрограммирование на C++

Мы рассмотрим несколько <<необычных>> примеров использования шаблонов C++.

== Статический <code>assert</code> ==
В следующем примере приведен код, который компилируется только
на 64-разрядной платформе:

<source lang="cpp">
char a[sizeof(int*) == 8 ? 1 : -1];
</source>

Если код компилируется не на 64-разрядной платформе, то
<code>sizeof(int*) != 8</code>, что приведет к объявлению массива a отрицательного
размера, а это запрещено стандартом.

Эта идея используется в макросе <code>BOOST_STATIC_ASSERT</code>, предоставляемом
модулем [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/doc/html/boost_staticassert.html <code>Static Assert</code>]
библиотеки Boost.

== Tag passing ==

Предположим, нам нужно написать функцию, которая циклически 
переставляет элементы массива:

<source lang="cpp">
template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q);
</source>

где <code>p</code>, <code>q</code> --- итераторы, указывающие на начало и конец массива, 
а элемент, на который указывает <code>m</code>, после завершения работы функции будет располагаться
на месте элемента, на который указывает <code>p</code>.

Допустим, у нас есть разные реализации этой функции для разных типов итераторов:

<source lang="cpp">
template<typename It>
void rotate_bidirectional(It p, It, m, It q);

...

template<typename It>
void rotate_random_access(It p, It, m, It q);
</source>

Мы можем добавить к сигнатуре этих функций формальный параметр и перенести
информацию о типе итератора, с которым работает эта функция, из ее имени в этот
параметр:

<source lang="cpp">
template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q, bidirectional_tag);

...

template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q, random_access_tag);
</source>

Тогда исходную функцию можно реализовать так:

<source lang="cpp">
template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q) {
  rotate(p, m, q, iterator_traits<It>::iterator_category());
}
</source>

== Замена числовых идентификаторов на типы ==

С помощью следующего трюка можно переписать функцию, поведение которой 
зависит от числового идентификатора, так, чтобы ее поведение зависело от
формального параметра (как в предыдущем разделе):

<source lang="cpp">
void foo(int);
</source>

Мы можем определить шаблонную структуру:
<source lang="cpp">
template<int i>
struct int2type { static const int value = i; };
</source>

Теперь функцию foo можно переписать так:
<source lang="cpp">
template<int i>
void foo(int2type<i>);
</source>

== Substitution Failure Is Not An Error (SFINAE) ==
При создании экземпляров шаблонных функций могут возникать ошибки компиляции.
Рассмотрим следующий код:

<source lang="cpp">
int diff(int a, int b) {
  return a - b;
}

template<typename T>
typename T::diff_type diff(T a, T b) {
  return a - b;
}
</source>

При вызове <code>diff(3, 4)</code> компилятор попытается создать экземпляр
функции <code>diff<int>(int, int)</code>, но это приведет к ошибке компиляции,
поскольку <code>int::diff_type</code> не определено. Но эта ошибка не приводит 
к выдаче сообщения об ошибке и прекращению компиляции, поскольку есть нешаблонная
функция c подходящей сигнатурой.

----

С помощью SFINAE можно управлять разрешением перегруженных шаблонных функций.
В библиотеке Boost есть шаблонный тип [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/utility/enable_if.html <code>enable_if_c</code>], 
который позволяет решить эту задачу. Он определен следующим образом:

<source lang="cpp">
template <bool B, class T = void>
struct enable_if_c {
  typedef T type;
};

template <class T>
struct enable_if_c<false, T> {};

template <class Cond, class T = void>
struct enable_if : public enable_if_c<Cond::value, T> {};
</source>

Таким образом, конструкция <code>enable_if_c<false, T>::type</code> вызовет ошибку компиляции.
<code>enable_if</code> ведет себя так же, как и <code>enable_if_c</code>, но более удобен при
использовании trait'ов:

<source lang="cpp">
template <class T, class Enable = void> 
class A { ... };

template <class T>
class A<T, typename enable_if<is_integral<T> >::type> { ... };

template <class T>
class A<T, typename enable_if<is_float<T> >::type> { ... };
</source>

В этом примере <code>enable_if</code> позволяет выбирать конкретную специализацию 
шаблона класса <code>A</code> в зависимости от того, является ли тип <code>T</code>
целочисленным или вещественнозначным.

== Проверка наличия метода у класса ==

В следующем примере показано, как с помощью шаблонов можно проверить 
наличие метода <code>size</code> у класса.

<source lang="cpp">
#include <iostream>
#include <vector>

typedef char true_type;
class false_type { true_type a[2]; };

template<typename T, size_t (T::*)() const>
struct wrap { };

template<typename T>
true_type check(T*, wrap<T, &T::size> = wrap<T, &T::size>()) { }

template<typename T>
false_type check(void*, ...) { }

template<typename T>
struct check_size {
  static const bool value = sizeof(check<T>((T*)0)) == sizeof(true_type);
};

class bar {
  void no_size() { }
};

int main() {
  if (check_size<std::vector<int> >::value == true) {
    std::cout << "Vector has a size field!" << std::endl;
  }

  if (check_size<bar>::value != true) {
    std::cout << "Bar doesn't have a size field!" << std::endl;
  }
}
</source>

При создании экземпляра класса <code>check_size<std::vector<int></code> создается
первый вариант функции <code>check_size</code>, поскольку можно без проблем создать
экземпляр структуры <code>wrap</code>.

При создании экземпляра класса <code>check_size<bar></code> создается второй вариант 
функции <code>check_size</code>, поскольку создание экземпляра структуры <code>wrap</code>
приводит к ошибке.

== Списки типов ==
На шаблонах можно реализовать списки в функциональном стиле. Правда, такие списки
будут существовать только во время компиляции.

Сначала реализуем общее описание списка:
<source lang="cpp">
struct nil { };

template<typename F, typename S = nil>
struct cons {
  typedef F head;
  typedef S tail;
};
</source>

Тогда список из трех элементов можно описать так:

<source lang="cpp">
typedef cons<A, cons<B, cons<C> > type_list;
</source>

Можно унаследовать класс от всех классов, входящих в список:

<source lang="cpp">
template<typename L>
struct inherit : L::head, inherit<typename L::tail> { };

template<>
struct inherit<nil> { };

struct D : inherit<type_list>;
</source>

Структура <code>D</code> будет унаследована от структур <code>A</code>, 
<code>B</code> и <code>C</code>.

'''Задача''' Найти способ вызвать общую функцию у всех родителей.

'''Задача''' Реализовать красно-черные деревья на шаблонах :).

== Поддержка метапрограммирования в Boost ==

Вот список модулей библиотеки Boost, реализующих некоторые фичи (sic!) 
метапрограммирования:

* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/utility/call_traits.htm call_traits],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/concept_check/concept_check.htm concept check],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/utility/enable_if.html enable_if],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/function_types/doc/html/index.html function_types],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/utility/in_place_factories.html in_place_factory, typed_in_place_factory],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/utility/operators.htm operators], 
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/property_map/doc/property_map.html property map],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/doc/html/boost_staticassert.html static_assert],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/type_traits/doc/html/index.html type_traits],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/fusion/doc/html/index.html fusion],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/index.html mpl],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/doc/html/proto.html proto].

Модули Boost, реализующие некоторые концепции языков функционального программирования:

* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/bind/bind.html bind] и [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/bind/mem_fn.html mem_fn],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/doc/html/lambda.html lambda],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/doc/html/function.html function],
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/tuple/doc/tuple_users_guide.html tuple]

Модули, входящие в состав модуля MPL:

* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/classes.html Метаконтейнеры] --- аналоги контейнеров STL, существующие только в момент компиляции 
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/concepts.html Метаитераторы] --- аналоги итераторов STL, работающие с метаконтейнерами: 
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/intrinsic-metafunctions.html Метафункции] и [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/algorithms.html метаалгоритмы], работающие с метаконтейнерами.
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/introspection.html Статическая интроспекция], позволяющая определить наличие определения псевдонима типа внутри класса.
* [http://www.boost.org/doc/libs/1_46_1/libs/mpl/doc/refmanual/asserts.html Статический Assert] --- аналог <code>BOOST_STATIC_ASSERT</code> с более подробным сообщением об ошибке (как заверяют разработчики).

=== Пример ===

Вот простейший пример использования метаконтейнеров:

<source lang="cpp">
#include <boost/mpl/vector.hpp>
#include <boost/mpl/int.hpp>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <vector>

using namespace boost;

typedef mpl::vector<int, mpl::int_<1>, double> numbers;

int main() {
  std::cout << mpl::v_at<numbers, 1>::type::value << std::endl; // Выводит 1
  std::cout << mpl::v_at<mpl::push_back<numbers, mpl::int_<2> >::type, 3>::type::value << std::endl; // Выводит 2
}
</source>

Осмысленный пример использования метаконтейнеров --- реализация концепции единиц измерения на С++:

<source lang="cpp">
  using namespace boost;

  template<int kg, int m, int s>
  struct unit {
    typedef mpl::vector<mpl::int_<kg>, mpl::int_<m>, mpl::int_<s> > u;

    float value;
  }

  typedef unit<1, 0, 0> mass;
  typedef unit<0, 1, -1> velocity;
  typedef unit<0, 1, -2> acceleration;
  typedef unit<1, 1, -1> momentum;
</source>

[[Файл:Swoon2.gif]]