前言

模板元編程，是一個(gè)聽起來(lái)非常硬核的概念，會(huì)感覺(jué)這個(gè)東西非常的難，是大佬才能掌握的內(nèi)容。而事實(shí)上，他也確實(shí)不簡(jiǎn)單（手動(dòng)狗頭），但是也并沒(méi)有想象中的復(fù)雜。

我們對(duì)很多事物，都喜歡加上“元”的概念，如學(xué)習(xí)，指的是學(xué)習(xí)知識(shí)，比如學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。而元學(xué)習(xí)，指的是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)本身，去學(xué)習(xí)如何更好地學(xué)習(xí)，也就是提升學(xué)習(xí)能力。所以“元”概念，在很多時(shí)候值得就是把關(guān)注對(duì)象回到本身，比如上面的例子，把關(guān)注對(duì)象從數(shù)學(xué)等知識(shí)回到學(xué)習(xí)本身。

模板編程，指的是可以我們可以將函數(shù)或者類的數(shù)據(jù)類型抽離出來(lái)，做到類型無(wú)關(guān)性。我們關(guān)注的對(duì)象，是普通函數(shù)、普通類。如下面的這個(gè)經(jīng)典的模板函數(shù)：

template<typename T>
bool compare(T t1,T t2) {
  return t1 > t2;
}

我們可以使用一份代碼，來(lái)判斷兩個(gè)相同的類型的對(duì)象，t1是否大于t2。

而模板元編程，則是對(duì)模板函數(shù)、模板類本身，進(jìn)行編程。繼續(xù)上面的代碼例子，假如有一些類型，他并沒(méi)有>運(yùn)算符，只有<=運(yùn)算符，那么我們需要重載兩個(gè)模板函數(shù)，對(duì)這兩個(gè)類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類：

// 函數(shù)1
template<typename T>
bool compare(T t1,T t2) {
  return t1 > t2;
}
// 函數(shù)2
template<typename T>
bool compare(T t1,T t2) {
  return t2 <= t1;
}

擁有>運(yùn)算符的類型進(jìn)入函數(shù)1，擁有<=運(yùn)算符進(jìn)入函數(shù)2。我們這里對(duì)模板類型進(jìn)行判斷、選擇的過(guò)程，就是模板元編程?？梢哉f(shuō)，模板編程，是將數(shù)據(jù)類型從函數(shù)或者類抽離出來(lái)；而模板元編程，則是對(duì)類型進(jìn)行更加細(xì)致的劃分，分類別進(jìn)行處理。

這個(gè)時(shí)候可能有讀者會(huì)有疑問(wèn)：這不就是類型識(shí)別嗎？我用typeId也可以實(shí)現(xiàn)啊，例如以下代碼：

template<typename T> 
void show(T t) {
    if(typeid(T).hash_code()==...) {
        t.toString();
    } else {
        t.toType();
    }
}

這種寫法是錯(cuò)誤的。上面代碼例子中無(wú)法通過(guò)編譯，原因是T類型無(wú)法同時(shí)擁有toString()和toType()函數(shù)，即使我們的代碼只會(huì)運(yùn)行其中一個(gè)路徑。其次：

• typeid在多動(dòng)態(tài)庫(kù)環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)不一致的問(wèn)題，并不是非常可靠。
• typeid只能對(duì)已有的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行判斷，無(wú)法判斷新增類型。
• 會(huì)導(dǎo)致函數(shù)臃腫，判斷條件眾多，代碼不夠優(yōu)雅。

原因有很多，這里列舉了幾條，一句話總結(jié)就是不可靠、不適用、不優(yōu)雅。因此我們才需要模板元編程。

那么，如何在模板中實(shí)現(xiàn)對(duì)類型的判斷并分類處理呢？我們接著往下看。

文章內(nèi)容略長(zhǎng)，我非常建議你完整閱讀，但是如果時(shí)間比較緊，可以選擇性閱讀章節(jié)：

開始：從一個(gè)具體的例子從0到1解析模板元編程

模板函數(shù)重載匹配規(guī)則+模板匹配規(guī)則：介紹模板編程最核心的兩個(gè)規(guī)則，他是整個(gè)模板元編程依賴的基礎(chǔ)

最后的章節(jié)進(jìn)行全文的總結(jié)

開始

我們先從一個(gè)例子來(lái)看模板元編程是如何工作的。我們創(chuàng)建一個(gè)類HasToString，其作用是判斷一個(gè)類型是否有toString成員函數(shù)，使用的代碼如下：

template<typename T> HasToString{...}
class Dog {
};
class Cat {
public:
    std::string toString() const{
        return "cat";
    }
};
std::cout << "Dog:" << HasToString<Dog>::value << std::endl;  // 輸出0
std::cout << "Cat:" << HasToString<Cat>::value << std::endl;  // 輸出1

通過(guò)類HasToString，我們可以判斷一個(gè)類型是否有toString這個(gè)成員函數(shù)。好，接下來(lái)讓我們看一下HasToString是如何實(shí)現(xiàn)的：

// 判斷一個(gè)類型是否有 toString 成員函數(shù)
template<typename T>
class HasToString {
    template<typename Y, Y y>
    class Helper {};
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(...) {
        return false;
    }
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(Helper<std::string (U::*)() const,&U::toString>*)  {
        return true;
    }
public:
    const static bool value = hasToString<T>(nullptr);
};

好家伙，這也太復(fù)雜了??！完全沒(méi)看懂。你是否有這樣的感覺(jué)呢？如果你是第一次接觸，感覺(jué)比較復(fù)雜很正常，現(xiàn)在我們無(wú)需完全理解他，下面我們一步步慢慢說(shuō)。

首先有兩個(gè)c++的其他知識(shí)先解釋一下：constexpr關(guān)鍵字和成員函數(shù)指針，了解的讀者可以直接跳過(guò)。

constexpr：表示一個(gè)變量或者函數(shù)為編譯期常量，在編譯的時(shí)候可以確定其值或者函數(shù)的返回值。在上面的代碼中，const static bool value 需要在編譯器確定其值，否則不能在類中直接復(fù)制。因此我們給hasToString函數(shù)增加了constexpr關(guān)鍵字。

成員函數(shù)指針：我們可以獲取一個(gè)對(duì)象的成員函數(shù)指針，而在合適的時(shí)候，調(diào)用此函數(shù)。如下代碼

std::string (Cat::*p)() const = &Cat::toString; // 獲取Cat的函數(shù)成員指針
Cat c;
std::string value = (c.*p)(); // 通過(guò)成員函數(shù)指針調(diào)用c的成員函數(shù)

可以看到成員函數(shù)指針的聲明語(yǔ)法和函數(shù)指針很相似，只是在前面多了Cat::表示是哪個(gè)類的指針。

這里僅簡(jiǎn)單介紹，其他更詳細(xì)的內(nèi)容，感興趣可以百度一下了解。

好，我們第一步先看到HasToString的value變量，他是一個(gè)const static bool類型，表示T類型是否有toString函數(shù)的結(jié)果。他的值來(lái)源于hasToString<T>(nullptr)，我們繼續(xù)看到這個(gè)函數(shù)。

hasToString是一個(gè)返回值為bool類型的模板函數(shù)，由于其為constexpr static類型，使得其返回值可以直接賦值給value。他有兩個(gè)重載實(shí)例：

• 第一個(gè)重載函數(shù)的參數(shù)為函數(shù)參數(shù)包
• 第二個(gè)重載函數(shù)的參數(shù)為Helper對(duì)象的的指針

我們暫時(shí)先不管Helper的內(nèi)容，當(dāng)我們調(diào)用hasToString<T>(nullptr)時(shí)，他會(huì)選擇哪個(gè)重載函數(shù)？答案是不管T類型如何，都會(huì)先進(jìn)入第二個(gè)重載函數(shù)。原因是，第二個(gè)重載函數(shù)相比第一個(gè)更加特例化：實(shí)參與形參均為指針類型，根據(jù)模板函數(shù)匹配規(guī)則，他的優(yōu)先級(jí)更高，因此會(huì)選擇第二個(gè)重載函數(shù)進(jìn)行匹配。

到這里，我們已經(jīng)可以明確，在編譯時(shí)，不管T的類型如何，均會(huì)調(diào)用到hasToString的第二個(gè)重載函數(shù)。這個(gè)時(shí)候，我們看到模板類Helper，他的模板類型很簡(jiǎn)單，第一個(gè)模板參數(shù)是Y，而第二個(gè)模板參數(shù)則為第一個(gè)模板類型的對(duì)象值。

看到hasToString第二個(gè)重載函數(shù)，其參數(shù)為一個(gè)Helper類型指針。其中，Helper的第一個(gè)模板類型描述了成員函數(shù)toString的函數(shù)類型，第二個(gè)模板參數(shù)獲取模板類型U的成員函數(shù)toString的指針。這一步可以保證類型U擁有成員函數(shù)toString,且類型為我們所描述的函數(shù)類型。

好，到這里就可能有兩種情況：

• 假如類型U擁有toString成員函數(shù)，那么函數(shù)匹配正常，hasToString實(shí)例化成功。
• 假如類型U沒(méi)有toString成員函數(shù)，此時(shí)會(huì)匹配失敗，因?yàn)?code>&U::toString無(wú)法通過(guò)編譯。這個(gè)時(shí)候，根據(jù)c++的模板匹配規(guī)則，匹配失敗并不會(huì)直接導(dǎo)致崩潰，而是會(huì)繼續(xù)尋找可能的函數(shù)重載。

對(duì)于類型Dog，他沒(méi)有toString成員函數(shù)，hasToString第二個(gè)重載函數(shù)匹配失敗，此時(shí)會(huì)繼續(xù)尋找hasToString的其他重載類型。到了第一個(gè)重載類型，匹配成功，類型Dog匹配到hasToString第一個(gè)重載函數(shù)。

這里就是我們整個(gè)HasToString的重點(diǎn)：他成功將含toString成員函數(shù)的類型，與不含toString成員函數(shù)的類型成功分到兩個(gè)不同重載函數(shù)中去，完成我們判斷的目的。

這，就是模板元編程。

好了，對(duì)于一開始我們覺(jué)得很復(fù)雜的代碼，我們也基本都了解了，可以先暫時(shí)松一口氣，先來(lái)回顧一下上面的內(nèi)容：

// 判斷一個(gè)類型是否有 toString 成員函數(shù)
template<typename T>
class HasToString {
    template<typename Y, Y y>
    class Helper {};
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(...) {
        return false;
    }
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(Helper<std::string (U::*)() const,&U::toString>*)  {
        return true;
    }
public:
    const static bool value = hasToString<T>(nullptr);
};

• 我們創(chuàng)建了一個(gè)模板類HasToString來(lái)判斷一個(gè)類型是否擁有toString成員函數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)在靜態(tài)常量value中。
• value的值來(lái)源于靜態(tài)模板函數(shù)hasToString的判斷，我們將該函數(shù)設(shè)置為constexpr類型，因此可以直接將返回值賦值給value。
• 利用模板函數(shù)重載匹配規(guī)則，將函數(shù)調(diào)用優(yōu)先匹配到hasToString的第二個(gè)重載函數(shù)進(jìn)行匹配。
• 我們創(chuàng)建了Helper輔助模板類，來(lái)描述我們需要的成員函數(shù)類型，并獲取類型的成員函數(shù)。
• 利用模板匹配規(guī)則，匹配失敗的類型，將進(jìn)入hasToString的第一個(gè)重載函數(shù)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)類型的選擇。

整個(gè)過(guò)程最核心的部分，是模板函數(shù)hasToString的重載與匹配。而其所依賴的，是我們重復(fù)提到模板函數(shù)重載匹配規(guī)則、模板匹配規(guī)則，那么接下來(lái)，我們來(lái)聊聊這個(gè)匹配規(guī)則的內(nèi)容。

模板函數(shù)重載匹配規(guī)則

模板函數(shù)重載匹配規(guī)則，他規(guī)定著，當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)具有多個(gè)重載的模板函數(shù)時(shí)，該選擇哪個(gè)函數(shù)作為我們的調(diào)用對(duì)象。與普通函數(shù)的重載類似，但是模板屬性會(huì)增加一些新的規(guī)則。

模板函數(shù)重載匹配規(guī)則可以引用《c++ primer》中的一段話來(lái)總結(jié)：

對(duì)于一個(gè)調(diào)用，其候選函數(shù)包括所有模板實(shí)參推斷成功的函數(shù)模板實(shí)例。

候選的函數(shù)模板總是可行的，因?yàn)槟０鍖?shí)參推斷會(huì)排除任何不可行的模板。

與往常一樣，可行函數(shù)（模板與非模板）按類型轉(zhuǎn)換 （如果對(duì)此調(diào)用需要的話）來(lái)排序。當(dāng)然，可以用于函數(shù)模板調(diào)用的類型轉(zhuǎn)換是非常有限的。

與往常一樣，如果恰有一個(gè)函數(shù)提供比任何其他函數(shù)都更好的匹配，則選擇此函數(shù)。 但是，如果有多個(gè)函數(shù)提供同樣好的匹配，則：

• 如果同樣好的函數(shù)中只有一個(gè)是非模板函數(shù)，則選擇此函數(shù)。
• 如果同樣好的函數(shù)中沒(méi)有非模板函數(shù)，而有多個(gè)函數(shù)模板，且其中一個(gè)模板比其他模板更特例化，則選擇此模板。
• 否則，此調(diào)用有歧義。

看著有點(diǎn)不知所以然，我們一條條來(lái)看。這里我給整個(gè)過(guò)程分為三步：

第一步：模板函數(shù)重載匹配會(huì)將所有可行的重載列為候選函數(shù)。

舉個(gè)例子，我們現(xiàn)在有以下模板函數(shù)以及調(diào)用：

template<typename T> void show(T t) {...}  // 形參為T
template<typename T> void show(T* t) {...} // 形參為T*
int i = 9;
show(i);
show(&i);

代碼中模板函數(shù)show有兩個(gè)重載函數(shù)，其形參不同。當(dāng)調(diào)用show(i)時(shí)，第一個(gè)重載函數(shù)T可以匹配為int類型，第二重載函數(shù)，無(wú)法完成int類型到指針類型的匹配，因此本次調(diào)用的候選重載函數(shù)只有第一個(gè)重載函數(shù)。

第二個(gè)調(diào)用show(&i)，第一個(gè)重載函數(shù)T可以匹配為int*類型，第二個(gè)重載函數(shù)T可以匹配為int類型，因此本地調(diào)用兩個(gè)重載函數(shù)都是候選函數(shù)。

選擇候選函數(shù)是整個(gè)匹配過(guò)程的第一步，過(guò)濾掉那些不符合的重載函數(shù)，再進(jìn)行后續(xù)的精確選擇。

第二步：候選可行函數(shù)按照類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行排序

匹配的過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生類型轉(zhuǎn)換，需要類型轉(zhuǎn)換的優(yōu)先級(jí)會(huì)更低?？聪旅娲a：

template<typename T> void show(T* t) {...}       // 形參為T*
template<typename T> void show(const T* t) {...} // 形參為const T*
int i = 9;
show(&i);

show兩個(gè)重載函數(shù)均作為候選函數(shù)。第一個(gè)函數(shù)的形參會(huì)被匹配為int*，而第二個(gè)重載函數(shù)會(huì)被匹配為const int*，進(jìn)行了一次非const指針到const指針的轉(zhuǎn)換。因此前者的優(yōu)先級(jí)會(huì)更高。

類型轉(zhuǎn)換，主要涉及volatile和const轉(zhuǎn)換，上面的例子就是const相關(guān)的類型轉(zhuǎn)換。類型轉(zhuǎn)換是匹配過(guò)程中的第二步。

此外，還有char*到std::string的轉(zhuǎn)換，也屬于類型轉(zhuǎn)換。字符串字面量，如"hello"屬于const char*類型，編譯器可以完成到std::string的轉(zhuǎn)化。

第三步：若第二步存在多個(gè)匹配函數(shù)，非模板函數(shù)優(yōu)先級(jí)更高；若沒(méi)有非模板函數(shù)，則選擇特例化更高的函數(shù)。

到了這一步，基本選擇出來(lái)的都是精確匹配的函數(shù)了。但是卻存在多個(gè)精確匹配的函數(shù)，需要按照一定規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。看下面例子代碼：

template<typename T> void show(T t) {...}  // 形參為T
template<typename T> void show(T* t) {...} // 形參為T*
void show(int i) {...} // 非模板函數(shù)
int i = 9;
show(i);
show(&i);

在上面代碼中，show(i)的調(diào)用，有兩個(gè)精確匹配的函數(shù)，第一個(gè)和第三個(gè)重載函數(shù)。但是，第三個(gè)重載函數(shù)為非模板函數(shù)，因此其優(yōu)先級(jí)更高，選擇第三個(gè)重載函數(shù)。

show(&i)調(diào)用中，可以精確匹配到第一個(gè)和第二個(gè)重載函數(shù)。但是第二個(gè)函數(shù)相比第一個(gè)會(huì)更加特例化，他描述的形參就是一個(gè)指針類型。因此選擇第二個(gè)重載函數(shù)版本。

到此基本就能選擇最佳匹配的重載函數(shù)版本。若最后出現(xiàn)了多個(gè)最佳匹配，則本地調(diào)用時(shí)有歧義的，調(diào)用失敗。

這里需要注意的一點(diǎn)是，引用不屬于特例化的范疇，例如以下的代碼在調(diào)用時(shí)是有歧義的：

template<typename T> void show(T t) {...}  // 形參為T
template<typename T> void show(T& t) {...} // 形參為T&
int i = 9;
show(i); // 調(diào)用失敗，無(wú)法確定重載版本

好了，這就是整個(gè)模板函數(shù)重載的匹配過(guò)程，主要分三步：

• 選擇所有可行的候選重載函數(shù)版本
• 根據(jù)是否需要進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行排序
• 優(yōu)先選擇非模板類型函數(shù)；若無(wú)非模板函數(shù)則選擇更加特例化的模板函數(shù)。若出現(xiàn)多個(gè)最佳匹配函數(shù)則調(diào)用失敗

了解了模板函數(shù)重載的匹配過(guò)程，那么我們就能在進(jìn)行模板元編程的時(shí)候，對(duì)整體的匹配過(guò)程有把握。除了模板函數(shù)重載匹配規(guī)則，還有一個(gè)重要的規(guī)則需要介紹：模板匹配規(guī)則。

模板匹配規(guī)則

模板，有兩種類型，模板函數(shù)和模板類。模板類沒(méi)有和模板函數(shù)一樣的重載過(guò)程，且在使用模板類時(shí)需要指定其模板類型，因此其貌似也不存在匹配過(guò)程？不，其實(shí)也存在一種場(chǎng)景具有類似的過(guò)程：默認(rèn)模板參數(shù)?？聪旅娴睦樱?/p>

template<typename T,typename U = int>
struct Animal {};
template<typename T>
struct Animal<T,int> {};
Animal<int> animal;

模板類Animal有兩個(gè)模板參數(shù)，第二個(gè)模板參數(shù)的默認(rèn)類型為int。代碼中特例化了<T,int>類型，與第二個(gè)模板參數(shù)的默認(rèn)值保持一致。當(dāng)我們使用Animal<int>實(shí)例化時(shí)，Animal兩個(gè)模板參數(shù)被轉(zhuǎn)化為<int,int>，模板匹配會(huì)選擇特例化的版本，也就是template<typename T> struct Animal<T,int>版本。這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)類似我們前面的模板函數(shù)重載匹配過(guò)程，但是本質(zhì)上是不同的，模板類的匹配過(guò)程不涉及類型轉(zhuǎn)換，完全是精確類型匹配。但在行為表現(xiàn)上有點(diǎn)類似，因此在這里補(bǔ)充說(shuō)明一下。

這里我們要介紹一個(gè)更加重要的規(guī)則：SFINAE法則。

這個(gè)法則很簡(jiǎn)單：模板替換導(dǎo)致無(wú)效代碼，并不會(huì)直接拋出錯(cuò)誤，而是繼續(xù)尋找合適的重載。我們還是通過(guò)一個(gè)例子來(lái)理解：

// 判斷一個(gè)類型是否有 toString 成員函數(shù)
template<typename T>
class HasToString {
    template<typename Y, Y y>
    class Helper {};
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(...) {
        return false;
    }
    template<typename U = T>
    constexpr static bool hasToString(Helper<std::string (U::*)() const,&U::toString>*)  {
        return true;
    }
public:
    const static bool value = hasToString<T>(nullptr);
};

這是我們前面的例子，當(dāng)我們調(diào)用hasToString<T>(nullptr)時(shí)，模板函數(shù)hasToString的兩個(gè)重載版本都是精確匹配，但是后者為指針類型，更加特例化，因此優(yōu)先選擇第二個(gè)重載版本進(jìn)行替換。到這里應(yīng)該是沒(méi)問(wèn)題的。

但是，如果我們的類型T不含toString成員函數(shù)，那么在這個(gè)部分Helper<std::string (U::*)() const,&U::toString>會(huì)導(dǎo)致替換失敗。這個(gè)時(shí)候，按照SFINAE法則，替換失敗，并不會(huì)拋出錯(cuò)誤，而是繼續(xù)尋找其他合適的重載。在例子中，雖然第二個(gè)重載版本替換失敗了，但是第一個(gè)重載版本也是精確匹配，只是因?yàn)閮?yōu)先級(jí)沒(méi)有第二個(gè)高，這個(gè)時(shí)候會(huì)選擇第一個(gè)重載版本進(jìn)行替換。

前面我們?cè)谥v模板函數(shù)重載規(guī)則時(shí)提到了候選函數(shù)，在匹配完成后發(fā)生替換失敗時(shí)，會(huì)在候選函數(shù)中，按照優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行嘗試，直到匹配到替換成功的函數(shù)版本。

這一小節(jié)前面提到的模板類的默認(rèn)模板參數(shù)場(chǎng)景，也適用SFINAE法則。看下面的例子：

class Dog {};
template<typename T,typename U = int>
struct Animal {};
template<typename T>
struct Animal<T, decltype(declval<T>().toString(),int)> {};
Animal<Dog> animal;

代碼中有一個(gè)關(guān)鍵字declval，有些讀者可能并不熟悉。

declval的作用是構(gòu)建某個(gè)類型的實(shí)例對(duì)象，但是又不能真正去執(zhí)行構(gòu)建過(guò)程，一般結(jié)合decltype使用。例如代碼中的例子，我們利用declval構(gòu)建了類型T的實(shí)例，并調(diào)用了其toString的成員函數(shù)。使用decltype保證這個(gè)過(guò)程并不會(huì)被執(zhí)行，僅做類型獲取，或者匹配的過(guò)程。更詳細(xì)的建議讀者搜索資料進(jìn)一步了解，declval是c++14以后的新特性，如果是c++11則無(wú)法使用。

根據(jù)前面的內(nèi)容，我們知道Animal<Dog>會(huì)匹配到特例化的版本，但是由于Dog類型沒(méi)有toString成員函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致替換失敗。這時(shí)候會(huì)回到第一個(gè)非特例化的版本，進(jìn)行替換。

好了，通過(guò)這兩個(gè)例子，讀者應(yīng)該也能理解SFINAE法則的內(nèi)容。模板重載匹配規(guī)則，是整個(gè)模板元編程中最核心的內(nèi)容，利用這個(gè)規(guī)則，就可以在整個(gè)匹配的流程的不同的重載中，函數(shù)重載或者類特例化，選擇我們需要的類型，并將其他不需要的類型根據(jù)匹配流程繼續(xù)尋找匹配的目標(biāo)，從而完成我們對(duì)數(shù)據(jù)類型的選擇。

這個(gè)過(guò)程其實(shí)有點(diǎn)類似于流轉(zhuǎn)餐廳：廚師放下的食物是數(shù)據(jù)類型，每個(gè)客戶是重載版本，流水線是模板匹配規(guī)則流程，每個(gè)客戶選擇自己喜愛(ài)的食物，并將不感興趣的食物利用流水線往后傳，每個(gè)食物最終都到了感興趣的客戶中。當(dāng)然如果最終無(wú)人感興趣，則意味著匹配出錯(cuò)。

使用

到此，我們對(duì)于模板元編程核心內(nèi)容就了解完成了。那么在實(shí)際中如何去使用呢？這里給出筆者的一些經(jīng)驗(yàn)。

首先，必須要明確目的，不要為了使用技術(shù)而使用技術(shù)。模板元編程，能完成的功能是，在模板重載中實(shí)現(xiàn)對(duì)類型的判斷與選擇。當(dāng)我們有這個(gè)需求的時(shí)候，可以考慮使用模板元編程，這里舉幾個(gè)常見場(chǎng)景。

我們回到我們最開始的那個(gè)例子：比較大小。假如一個(gè)類型擁有<操作,采用<運(yùn)算符進(jìn)行比較，否則采用>=運(yùn)算符進(jìn)行比較。這里我們采用默認(rèn)模板參數(shù)的方式進(jìn)行編寫：

template<typename T,typename U = int>
struct hasOperate {
    constexpr static bool value = false;
};
template<typename T>
struct hasOperate<T, decltype(declval<T>() < declval<T>(),int())> {
    constexpr static bool value = true;
};

這樣通過(guò)value值就可以獲取到結(jié)果。那么我們很容易寫出下面的代碼：

template<typename T> bool compare(const T& t1,const T& t2) {
    if(hasOperate<T>::value) {
        return t1 < t2;
    } else {
        return t2 >= t1;
    }
}

好了，大功告成。運(yùn)行一下，誒，怎么編譯不過(guò)？這個(gè)問(wèn)題在文章前面有簡(jiǎn)單提到。對(duì)于類型T，他可能只有兩種操作符其中的一種，例如以下類型：

class A {
public:
    explicit A(int num) : _num(num){}
    bool operator<(const A& a) const{
        return _num < a._num;
    }
    int _num;
};

A類型只有<操作符，并沒(méi)有>=操作符，上面的模板函數(shù)實(shí)例化之后會(huì)變成下面的代碼：

bool compare(const A& t1,const A& t2) {
    if(hasOperate<A>::value) {
        return t1 < t2;
    } else {
        return t2 >= t1;  // 這里報(bào)錯(cuò)，找不到>=操作符
    }
}

代碼中，即使我們的else邏輯不會(huì)運(yùn)行到，但編譯器會(huì)檢查所有關(guān)于類型A的調(diào)用，再拋出找不到操作符的錯(cuò)誤。那么我們?cè)撊绾尾僮髂兀袃蓚€(gè)思路。

第一個(gè)思路是直接在hasOperate結(jié)構(gòu)體中，分別編寫各自的處理函數(shù)。這樣能解決一些問(wèn)題，但是局限性比較大，不夠靈活。

另一個(gè)思路就是我要給你介紹的一個(gè)非常好用工具類std::enable_if。有了它之后我們可以這么使用：

template<typename T>
bool compare(typename std::enable_if<hasOperate<T>::value,T>::type t1,T t2) {
    return t1 < t2;
}
template<typename T>
bool compare(typename std::enable_if<!hasOperate<T>::value,T>::type t1,T t2) {
    return t2 >= t1;
}

感覺(jué)有點(diǎn)不太理解，沒(méi)事，我們先來(lái)了解一下他。enable_if的實(shí)現(xiàn)代碼很簡(jiǎn)單：

template<bool enable,typename T> 
struct enable_if {};
template<typename T> 
struct enable_if<true,T> {
    using type = T;
};

他是一個(gè)模板結(jié)構(gòu)體，第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)布爾值，第二個(gè)是一個(gè)泛型T。其特例化了布爾值為true的場(chǎng)景，并增加了一個(gè)type別名，反之如果布爾值為false，則沒(méi)有這個(gè)type類型。

回到我們前面使用代碼，我們使用hasOperate<T>::value來(lái)獲取該類型是否擁有指定操作符，如果沒(méi)有則獲取不到type類型，那么整個(gè)替換過(guò)程就會(huì)失敗，需要繼續(xù)尋找其他的重載。這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)類型的選擇。

系統(tǒng)庫(kù)中，還提供了很多類型判斷接口可以和enable_if一起使用。例如判斷一個(gè)類型是否為指針std::is_pointer<>、數(shù)組std::is_array<>等。例如我們可以創(chuàng)建一個(gè)通用的析構(gòu)函數(shù)，根據(jù)是否為數(shù)組類型進(jìn)行析構(gòu)：

template<typename T> void deleteAuto(typename std::enable_if<std::is_array<T>::value,T>::type t) {
    delete[] t;
}
template<typename T> void deleteAuto(typename std::enable_if<!std::is_array<T>::value,T>::type t) {
    delete t;
}
int array[9];
int *pointer = new int(1);
deleteAuto<decltype(array)>(array);    // 使用數(shù)組版本進(jìn)行析構(gòu)
deleteAuto<decltype(pointer)>(pointer);// 使用指針版本進(jìn)行析構(gòu)

結(jié)合模板具體化與enable_if，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一類數(shù)據(jù)的篩選。例如我們需要對(duì)數(shù)字類型進(jìn)行單獨(dú)處理。首先需要編寫判斷類型是否為數(shù)組類型的代碼：

template<typename T> constexpr bool is_num() { return false; }
template<> constexpr bool is_num<int>() { return true; }
template<> constexpr bool is_num<float>() { return true; }
template<> constexpr bool is_num<double>() { return true; }
...

注意這里的函數(shù)必須要聲明為constexpr，這樣才能在enable_if中使用。補(bǔ)充好所有我們認(rèn)為是數(shù)字的類型，就完成了。使用模板類也是可以完成這個(gè)任務(wù)的：

template<typename T> struct is_num {
    constexpr static bool value = false;
};
template<> struct is_num<int> {
    constexpr static bool value = true;
};
... // 補(bǔ)充其他的數(shù)字類型

使用靜態(tài)常量來(lái)表示這個(gè)類型是否為數(shù)字類型。靜態(tài)常量也可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的類，減少代碼量，如下：

template<typename T> struct is_num : public false_type {};
template<> struct is_num<int> : public true_type{};
... // 補(bǔ)充其他的數(shù)字類型

改為繼承的寫法，但原理上是一樣的。

有了以上的判斷，就可以使用enable_if來(lái)分類處理我們的邏輯了：

template<typename T> void func(typename std::enable_if<is_num<T>(),T>::type t) {
    //...
}
template<typename T> void func(typename std::enable_if<!is_num<T>(),T>::type t) {
    //...
}

使用enable_if的過(guò)程中，還需要特別注意，避免出現(xiàn)重載歧義，或者優(yōu)先級(jí)問(wèn)題導(dǎo)致編程失敗。

最后，再補(bǔ)充一點(diǎn)關(guān)于匹配過(guò)程的類型問(wèn)題。還是上面判斷是否是數(shù)字的例子，看下面的代碼：

int i = 9;
int &r = i;
func<decltype<r>>(r); // 無(wú)法判斷是數(shù)字類型

在我們調(diào)用func<decltype<i>>(i);時(shí)，i的類型是const int，而我們具體化是template<> constexpr bool is_num<int>() { return true; }，他的模板類型是int，這是兩個(gè)不同的類型，無(wú)法對(duì)應(yīng)。因此判斷此類型為非數(shù)字類型。

導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題不止有const，還有volatile和引用類型。如int&、volatile int等。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有兩個(gè)：

• 在具體化中，增加const int等類型，但是枚舉所有的類型非常繁雜且容易遺忘。
• 在匹配之前，對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行去修飾處理。

第二種方法，c++提供函數(shù)處理。std::remove_reference<T>::type移除類型的引用，std::remove_cv<T>::type移除類型的const volatile修飾。因此我們?cè)谡{(diào)用前可以如此處理：

template<typename T>
using remove_cvRef = typename std::remove_cv<typename std::remove_reference<T>::type>::type;
int i = 9;
int &r = i;
func<remove_cvRef<decltype<r>>(r); // 移除引用修飾，轉(zhuǎn)化為int類型

關(guān)于類型推斷相關(guān)的問(wèn)題這里不多展開，但要特別注意由于類型修飾導(dǎo)致的匹配失敗問(wèn)題。

最后

文章真的長(zhǎng)呀，如果你能堅(jiān)持看到這里，說(shuō)明你是一個(gè)非常堅(jiān)持且對(duì)編程有強(qiáng)烈興趣的人，希望這篇文章讓你在c++模板的路上有所幫助。

那么接下來(lái)我們?cè)賮?lái)回顧一下這篇文章的內(nèi)容。

• 我們先介紹了模板元編程要解決的場(chǎng)景與問(wèn)題
• 然后我們從一個(gè)具體的模板元編程例子展開，一步步學(xué)習(xí)了模板元編程的整體內(nèi)容
• 接下來(lái)針對(duì)其核心：模板函數(shù)重載匹配規(guī)則以及模板規(guī)則進(jìn)一步了解
• 最后再給出在使用方面的一些經(jīng)驗(yàn)供參考

模板元編程他要解決的最核心的問(wèn)題就是：對(duì)模板類型的判斷與選擇。而其所依賴的最核心的內(nèi)容是模板函數(shù)重載匹配規(guī)則以及SFINAE法則，他是我們模板元編程得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。需要注意，整個(gè)元編程發(fā)生在編譯期，任何的函數(shù)調(diào)用都無(wú)法通過(guò)編譯。其次需要類型的推斷導(dǎo)致的匹配錯(cuò)誤問(wèn)題，而且此錯(cuò)誤比較隱蔽難以發(fā)現(xiàn)。

最后，模板元編程十分強(qiáng)大，但涉及的相關(guān)內(nèi)容多，容易出錯(cuò)。只有當(dāng)我們十分確定要使用模板元編程解決的問(wèn)題，再去使用他。切不可為了使用而使用，成為自己炫技的工具，這會(huì)給代碼留下很多的隱患。

參考

• An introduction to C++'s SFINAE concept: compile-time introspection of a class member：這是國(guó)外微軟c++工程師Jean Guegant寫的一篇文章，內(nèi)容非常好，比較完整地介紹了模板元編程，從最基礎(chǔ)的寫法到使用c++11、c++14特性等，非常專業(yè)。但是文章僅有英文版本，不建議直接網(wǎng)頁(yè)翻譯，有點(diǎn)地方翻譯錯(cuò)誤無(wú)法理解。
• 《c++ primer》：c++學(xué)習(xí)神書，應(yīng)該沒(méi)有疑問(wèn)？個(gè)人建議如果不是完全沒(méi)有編程基礎(chǔ)，使用《c++ primer》來(lái)替代《c++ primer plus》吧。

以上就是c++元編程模板函數(shù)重載匹配規(guī)則示例詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于c++元編程模板函數(shù)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！