0. 前言

C++ 里的模板能做什么呢?它好比 C 語言中的宏、C# 和 Java 中的自省(restropection)和反射(reflection)，是 C++ 語言的外延。更極端一點地理解：它是一門新的圖靈完備的編程語言(也就是說，C++ 模板能實現圖靈機模型里的全部功能)。在《Modern C++ Design》中，作者拋出了以下幾個問題：

(1)如何撰寫更高級的C++程式?

(2)如何應付即使在很干凈的設計中仍然像雪崩一樣的不相干細節?

(3)如何構建可復用組件，使得每次在不同程式中應用組件時無需大動干戈?

解決上述問題的方法就是模板元編程。元(meta)本身就是個很“抽象(abstract)”的詞，因為它的本意就是“抽象”。元編程，也可以說就是“編程的抽象”。用更好理解的說法，元編程意味著你撰寫一段程序A，程序A會運行后生成另外一個程序B，程序B才是真正實現功能的程序。那么這個時候程序A可以稱作程序B的元程序，撰寫程序A的過程，就稱之為“元編程”。

C++中，元編程的手段，可以是宏，也可以是模板。

1、為什么需要泛型編程：從宏到模板，再到元編程

如果元編程中所有的變量(或者說元編程的參數)，都是類型，那么這樣的編程，我們有個特定的稱呼，叫“泛型”。

模板的發明，僅僅是為了做和宏幾乎一樣的替換工作嗎?可以說是，也可以說不是。

一方面，模板可以用來替換類型，這點和宏沒什么區別。只是宏在編譯階段基于文本做純粹替換，被替換的文本本身沒有任何語義。而模板會在分析模板時以及實例化模板的時候都會進行檢查，而且源代碼中也能與調試符號一一對應，所以無論是編譯時還是運行時，排錯都相對簡單。

另一方面，模板和宏也有很大的不同，模板最大的不同在于它是“可以運算”的。我們來看一個例子：

void Add(uint8_t, unit8_t) {} 

上述函數實現了一個 uint8_t 和 uint8_t 類型的加法運算，如果現在要實現 int16 和 int16 類型的加法運算，該怎么辦呢?簡單點的方法如下：

if (type == 8) { 
    Add(uint8_t, uint8_t) 
} else if (type == 16) { 
    Add(uint16_t, uint16_t) 
} 

但是這里有兩個難點：

• 首先， if(type == x) 是不存在于 C++ 中的
• 其次，即便存在獲取變量 type 的方法(Boost.Any 中的 typeid )，我們也不希望它在運行時判斷，這樣會變得很慢。是否可以不引入 if/else，在編譯期就把 Add 的方法確定呢?

有人說，重載、虛函數也能解決如上問題：

void Add(uint8_t, uint8_t) {} 
void Add(uint16_t, uint16_t) {} 

甚至在 C 語言中定義新的結構體 Variant 或使用 void* 也能解決該問題：

struct Variant 
{ 
    union 
    { 
        uint_8 x; 
        uint_16 y; 
    } data; 
    uint32_t typeId; 
}; 

沒錯，但是如果我還有 uint9_t、uint10_t 等各種類型的加法運算呢?Anyway，不管是哪種方法都很難避免 if/else 的存在。

模板與上述這些方法最大的區別在于：模板無論其參數或者是類型，它都是一個編譯期分派的方法。編譯期就能確定的東西既可以做類型檢查，編譯器也能進行優化，砍掉任何不必要的代碼執行路徑。

2、類模板的特化：模板世界里的 if/else

2.1 根據類型執行代碼

我們先來看看一個模板的例子：

template <typename T> T AddFloatOrMulInt(T a, T b); 
// 我們希望這個函數在 T 是 float 的時候做加法運算，在 T 是 int 類型的時候做乘法運算 

那么當傳入兩個不同類型的變量，或者不是 int 和 float 變量，編譯器就會提示錯誤。

從能力上來看，模板能做的事情都是編譯期完成的。編譯期完成的意思就是，當你編譯一個程序的時候，所有的量就都已經確定了。比如下面的例子：

int a = 3, b = 5; 
Variant aVar, bVar; 
aVar.setInt(a);            // 我們新加上的方法，怎么實現的無所謂，大家明白意思就行了。 
bVar.setInt(b); 
Variant result = AddFloatOrMulInt(aVar, bVar); 

從上述代碼中我們可以看到：aVar 和 bVar 都一定會是整數。所以如果有合適的機制，編譯器就能知道此處的 AddFloatOrMulInt 中只需要執行 int 路徑上的代碼，而且編譯器在此處也能單獨為 int 路徑生成代碼，從而去掉那個不必要的 if。在模板代碼中，這個“合適的機制”就是指“特化”和“部分特化(Partial Specialization)”，后者也叫“偏特化”。

2.2、如何寫模板特化的代碼

1.0 版本 - 偽代碼

int/float AddFloatOrMulInt(a, b) // 類的靜態函數 
{ 
  if(type is int) { 
    return a * b; 
  } else if (type is float) { 
    return a + b; 
  } 
} 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
    c = addFloatOrMulInt(a, b);        // c = a + b; 
 
    int x, y, z; 
    z = addFloatOrMulInt(x, y);        // z = x * y; 
} 

2.0 版本 - 函數重載

float AddFloatOrMulInt(float a, float b) 
{ 
    return a + b; 
} 
 
int AddFloatOrMulIntDo(int a, int b) 
{ 
    return a * b; 
} 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
    c = AddFloatOrMulInt(a, b);        // c = a + b; 
 
    int x, y, z; 
    z = AddFloatOrMulInt(x, y);        // z = x * y; 
} 

3.0 版本 - 純模板

// 這個是給float用的。 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    T Do(T a, T b) 
    { 
        return a + b; 
    } 
}; 
 
// 這個是給int用的。 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    T Do(T a, T b) 
    { 
        return a * b; 
    } 
}; 
 
void foo() 
{ 
    float a, b, c; 
 
    // 我們需要 c = a + b; 
    c = AddFloatOrMulInt<float>::Do(a, b);         
    // ... 覺得哪里不對勁 ... 
    // 啊！有兩個 AddFloatOrMulInt，class 看起來一模一樣，要怎么區分呢！ 
} 

好吧，問題來了!如何要讓兩個內容不同，但是模板參數形式相同的類進行區分呢?特化!特化(specialization)是根據一個或多個特殊的整數或類型，給出模板實例化時的一個指定內容。

4.0 版本 - 模板特化

// 首先，要寫出模板的一般形式（原型，即初始化，不能省） 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt 
{ 
    static T Do(T a, T b)  // 注意這里必須得是靜態方法！！！ 
    { 
        return T(0); 
    } 
}; 
 
// 其次，我們要指定T是float時候的代碼： 
template <> class AddFloatOrMulInt<float> 
{ 
public: 
    static float Do(float a, float b) 
    { 
        return a + b; 
    } 
}; 
 
// 再次，我們要指定T是int時候的代碼，這就是特化： 
template <> class AddFloatOrMulInt<int> 
{ 
public: 
    static int Do(int a, int b) //  
    { 
        return a * b; 
    } 
}; 
 
int foo() 
{ 
    return AddFloatOrMulInt<float>::Do(1.0, 2.0); 
} 
 
int main()  
{ 
    std::cout << foo();  // 輸出結果 3.0 
} 

解釋：

// 我們這個模板的基本形式是什么？ 
template <typename T> class AddFloatOrMulInt; 
 
// 但是這個類，是給T是 int 的時候用的，于是我們寫作 
class AddFloatOrMulInt<int>; 
// 當然，這里編譯是通不過的。 
// 但是它又不是個普通類，而是類模板的一個特化（特例）。 
// 所以前面要加模板關鍵字template，以及模板參數列表 
template </* 這里要填什么？ */> class AddFloatOrMulInt<int>; 
 
// 最后，模板參數列表里面填什么？因為原型的T已經被int取代了。所以這里就不能也不需要放任何額外的參數了。所以這里放空。 
template <> class AddFloatOrMulInt<int> 
{ 
    // ... 針對 int 的實現 ...  
} 
 
// Done! 

至此，第一個模板特化的代碼已經寫完了。這里的 AddFloatOrMulInt 如同是一個函數，卻只能在編譯期間執行。如果你體味到了這一點，那么恭喜你，你的模板元編程已經開悟了。

3、總結

本文核心只講了兩個問題：一是為什么需要泛型編程，重點介紹了宏、模板和元編程的關系;二是模板類的特化代碼如何編寫。關于特化，還有很多細節知識，在之后的文章中我們繼續探究，另外將還介紹偏特化等知識點，敬請期待。