这个例子展示了可以利用模板实例化机制于编译期执行一些计算。这种通过模板实例化而执行的特别的编译期计算技术即被称为模板元编程。
顺便说一句,因为编译器的出错信息并未被标准化,所以,如果你在Visual C++、Borland C++等编译器上看不到这么详细的出错信息,请不必讶异。
一个可以运行的模板元编程例子
模板元编程(Template Metaprogramming)更准确的含义应该是“编‘可以编程序的’程序”,而模板元程序(Template Metaprogram)则是“‘可以编程序的’程序”。也就是说,我们给出代码的产生规则,编译器在编译期解释这些规则并生成新代码来实现我们预期的功能。
Erwin Unruh的那段经典代码并没有执行,它只是以编译出错信息的方式输出中间计算结果。让我们来看一个可以运行的模板元编程例子 — 计算给定整数的指定次方:
// xy.h
//原始摸板
template<int Base, int Exponent>
class XY
{
public:
enum { result_ = Base * XY<Base, Exponent-1>::result_ };
};
//用于终结递归的局部特化版
template<int Base>
class XY<Base, 0>
{
public:
enum { result_ = 1 };
};
模板元编程技术之根本在于递归模板实例化。第一个模板实现了一般情况下的递归规则。当用一对整数<X, Y>来实例化模板时,模板XY<X, Y>需要计算其result_的值,将同一模板中针对<X, Y-1>实例化所得结果乘以X即可。第二个模板是一个局部特化版本,用于终结递归。
让我们看看使用此模板来计算5^4 (通过实例化XY<5, 4>)时发生了什么:
// xytest.cpp
#include <iostream>
#include "xy.h"
int main()
{
std::cout << "X^Y<5, 4>::result_ = " << XY<5, 4>::result_;
}
首先,编译器实例化XY<5, 4>,它的result_为5 * XY<5, 3>::result_,如此一来,又需要针对<5, 3>实例化同样的模板,后者又实例化XY<5, 2>…… 当实例化到XY<5, 0>的时候,result_的值被计算为1,至此递归结束。
递归模板实例化的深度和终结条件
可以想象,如果我们以非常大的Y值来实例化类模板XY,那肯定会占用大量的编译器资源甚至会迅速耗尽可用资源(在计算结果溢出之前),因此,在实践中我们应该有节制地使用模板元编程技术。
虽然 C++标准建议的最小实例化深度只有17层,然而大多数编译器都能够处理至少几十层,有些编译器允许实例化至数百层,更有一些可达数千层,直至资源耗尽。
假如我们拿掉XY模板局部特化版本,情况会如何?
// xy2.h
//原始摸板
template<int Base, int Exponent>
class XY
{
public:
enum { result_ = Base * XY<Base, Exponent-1>::result_ };
};
测试程序不变:
// xytest2.cpp
#include <iostream>
#include "xy2.h"
int main()
{
std::cout << "X^Y<5, 4>::result_ = " << XY<5, 4>::result_;
}
执行如下编译命令:
C:\>g++ -c xytest2.cpp
你将会看到递归实例化将一直进行下去,直到达到编译器的极限。
GNU C++ (MinGW Special) 3.2的默认实例化极限深度为500层,你也可以手工调整实例化深度:
C:\>g++ -ftemplate-depth-3400 -c xytest2.cpp
事实上,就本例而言,g++ 3.2允许的实例化极限深度还可以再大一些(我的测试结果是不超过3450层)。
因此,在使用模板元编程技术时,我们总是要给出原始模板的特化版(局部特化版或完全特化版或兼而有之),以作为递归模板实例化的终结准则。
利用模板元编程技术解开循