Метапрограммирование на C++

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

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:

• bind и mem_fn,
• lambda,
• function,
• tuple

Модули, входящие в состав модуля MPL:

• Метаконтейнеры --- аналоги контейнеров STL, существующие только в момент компиляции
• Метаитераторы --- аналоги итераторов STL, работающие с метаконтейнерами:
• Метафункции, работающие с метаконтейнерами, и метаалгоритмы.
• Статическая интроспекция.
• Статический Assert --- аналог BOOST_STATIC_ASSERT с более подробным сообщением об ошибке (как заверяют разработчики).

Пример

Вот простейший пример использования метаконтейнеров:

#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
}