第十二章 模板
模板元编程
模板元编程
模板元编程（Template Metaprogramming，TMP）是一种利用模板在编译期进行计算和代码生成的技术。它把模板参数当作"输入"，把实例化结果当作"输出"。
编译期计算
最简单的例子：编译期阶乘
template <unsigned N>
struct Factorial {
static constexpr unsigned value = N * Factorial<N - 1>::value;
};
template <>
struct Factorial<0> {
static constexpr unsigned value = 1;
};
static_assert(Factorial<5>::value == 120);
static_assert(Factorial<0>::value == 1);
编译器在展开 Factorial<5> 时，会递归实例化 Factorial<4>、Factorial<3>... 直到 Factorial<0>，每层都计算一次乘法。最终结果完全在编译期确定。
C++14/17/20 的改进
C++14 放宽了 constexpr 函数的限制，直接写函数即可：
constexpr unsigned factorial(unsigned n) {
unsigned result = 1;
for (unsigned i = 2; i <= n; ++i) {
result *= i;
}
return result;
}
static_assert(factorial(5) == 120);
C++20 更进一步，constexpr 函数甚至可以动态分配内存。
建议优先使用 constexpr 函数做编译期计算，仅在需要类型推导和条件分支时才用模板递归。
编译期分支
if constexpr
C++17 引入的 if constexpr 让编译期分支更简洁：
template <typename T>
std::string toString(const T& x) {
if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
return x;
} else if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
return std::to_string(x);
} else {
return "unsupported";
}
}
编译器只会实例化满足条件的那个分支，其他分支直接被丢弃。这替代了传统的模板特化和 SFINAE。
std::conditional 和 std::enable_if
C++11/14 常用这些类型萃取工具：
// 根据条件选择类型
template <bool B, typename T, typename F>
using conditional_t = typename std::conditional<B, T, F>::type;
using Number = conditional_t<true, int, double>; // int
对于条件存在性的分支，仍需要 std::enable_if：
template <typename T>
std::enable_if_t<std::is_integral_v<T>, bool> is_odd(T n) {
return n % 2 != 0;
}
类型萃取
模板元编程最常见的用途是萃取类型信息：
// 判断是否为指针类型
template <typename T>
struct is_pointer { static constexpr bool value = false; };
template <typename T>
struct is_pointer<T*> { static constexpr bool value = true; };
template <typename T>
constexpr bool is_pointer_v = is_pointer<T>::value;
static_assert(is_pointer_v<int*>);
static_assert(!is_pointer_v<int>);
标准库 <type_traits> 提供了完整的类型萃取工具，包括：
- 类型判断：
is_integral、is_pointer、is_reference、is_const等 - 类型转换：
remove_const、remove_pointer、add_lvalue_reference等 - 条件选择：
conditional、enable_if、void_t等
可变参数模板与折叠表达式
C++11 的可变参数模板让元编程更灵活：
// 编译期求和
template <auto... Vs>
constexpr auto sum = (Vs + ...); // C++17 折叠表达式
static_assert(sum<1, 2, 3, 4, 5> == 15);
C++17 的折叠表达式让参数包处理更简洁：
// 编译期打印所有参数
template <typename... Args>
void printAll(const Args&... args) {
(std::cout << ... << args) << '\n';
}
总结
模板元编程的核心思想是：把计算从运行时转移到编译期。
现代 C++ 中，优先使用：
constexpr函数做编译期计算if constexpr做编译期分支- 概念做模板参数约束
- 标准库
<type_traits>做类型萃取
模板递归和 SFINAE 仅在必要时使用。