Метапрограммирование на C++
Мы рассмотрим несколько <<необычных>> примеров использования шаблонов C++.
Содержание
Статический assert
В следующем примере приведен код, который компилируется только на 64-разрядной платформе:
char a[sizeof(int*) == 8 ? 1 : -1];
Если код компилируется не на 64-разрядной платформе, то
sizeof(int*) != 8, что приведет к объявлению массива a отрицательного
размера, а это запрещено стандартом.
Эта идея используется в макросе BOOST_STATIC_ASSERT, предоставляемом
модулем Static Assert
библиотеки Boost.
Tag passing
Предположим, нам нужно написать функцию, которая циклически переставляет элементы массива:
template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q);
где p, q --- итераторы, указывающие на начало и конец массива,
а элемент, на который указывает m, после завершения работы функции будет располагаться
на месте элемента, на который указывает p.
Допустим, у нас есть разные реализации этой функции для разных типов итераторов:
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);
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:
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);
Тогда исходную функцию можно реализовать так:
template<typename It>
void rotate(It p, It, m, It q) {
rotate(p, m, q, iterator_traits<It>::iterator_category());
}
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):
void foo(int);
Мы можем определить шаблонную структуру:
template<int i>
struct int2type { static const int value = i; };
Теперь функцию foo можно переписать так:
template<int i>
void foo(int2type<i>);
Substitution Failure Is Not An Error (SFINAE)
При создании экземпляров шаблонных функций могут возникать компиляции. Рассмотрим следующий код:
int diff(int a, int b) {
return a - b;
}
template<typename T>
typename T::diff_type diff(T a, T b) {
return a - b;
}
При вызове diff(3, 4) компилятор попытается создать экземпляр
функции diff<int>(int, int), но это приведет к ошибке компиляции,
поскольку int::diff_type 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 enable_if_c,
который позволяет решить эту задачу. Он определен следующим образом:
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> {};
Таким образом, конструкция enable_if_c<false, T>::type вызовет ошибку компиляции.
enable_if ведет себя так же, как и enable_if_c, но более удобен при
использовании trait'ов:
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> { ... };
В этом примере enable_if позволяет выбирать конкретную специализацию
шаблона класса A в зависимости от того, является ли тип T
целочисленным или вещественнозначным.
Проверка наличия метода у класса
В следующем примере показано, как с помощью шаблонов можно проверить
наличие метода size у класса.
#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;
}
}
При создании экземпляра класса check_size<std::vector<int> создается
первый вариант функции check_size, поскольку можно без проблем создать
экземпляр структуры wrap.
При создании экземпляра класса check_size<bar> создается второй вариант
функции check_size, поскольку создание экземпляра структуры wrap
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:
struct nil { };
template<typename F, typename S = nil>
struct cons {
typedef F head;
typedef S tail;
};
Тогда список из трех элементов можно описать так:
typedef cons<A, cons<B, cons<C> > type_list;
Можно унаследовать класс от всех классов, входящих в список:
template<typename L>
struct inherit : L::head, inherit<typename L::tail> { };
template<>
struct inherit<nil> { };
struct D : inherit<type_list>;
Структура D будет унаследована от структур A,
B и C.
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:
- call_traits,
- concept check,
- enable_if,
- function_types,
- in_place_factory, typed_in_place_factory,
- operators,
- property map,
- static_assert,
- type_traits,
- fusion,
- mpl,
- proto.
Модули Boost, реализующие некоторые концепции языков функционального программирования:
Модули, входящие в состав модуля MPL:
- Метаконтейнеры --- аналоги контейнеров STL, существующие только в момент компиляции [1]
- Метаитераторы --- аналоги итераторов STL, работающие с метаконтейнерами: [2]
- Метафункции, работающие с метаконтейнерами: [3] и метаалгоритмы: [4]
- Статическая интроспекция: [5]
- Статический Assert --- аналог
BOOST_STATIC_ASSERT: [6]
