现代C++与模板元编程

最近在重温《c++程序设计新思维》这本经典著作，感慨颇多。由于成书较早，书中很多元编程的例子使用c++98实现的。而如今c++20即将带着concept，Ranges等新特性一同到来，不得不说光阴荏苒。在c++11之后，得益于新标准很多元编程的复杂技巧能被简化了，STL也提供了诸如<type_traits>这样的基础设施，c++14更是大幅度扩展了编译期计算的适用面，这些都对元编程产生了不小的影响。今天我将使用书中最简单也就是最基础的元容器TypeList来初步介绍现代c++在元编程领域的魅力。

本文索引

什么是TypeList

TypeList的定义

元函数的实现

Length元函数求list长度

TypeAt获取索引位置上的类型

IndexOf获得指定类型在list中的索引

Append为TypeList添加元素

Erase和EraseAll删除元素

NoDuplicates去除所有重复type

Replace和ReplaceAll

Derived2Front将派生类型移动至list前部

元函数实现总结

示例

自制tuple

简化工厂模式

总结

什么是TypeList

TypeList顾名思义，是一个存储和操作type的list，你没有看错，存储的是type（类型信息）而不是data。

这些被存储的type也被称为元数据，存储的它们的TypeList也被称为元容器。

那么，我们存储了这些元数据有什么用呢？答案是用处很多，比如tuple，工厂模式，这两个后面会举例；还可用来实现CRTP技巧（一种元编程技巧），线性化继承结构等，这些也在原书中有详细的演示。

不过光看我在上面的解释多半是理解不了什么是TypeList以及它有什么用的，不过没关系，元编程本身就是高度抽象的脑力活动，只有多读代码勤思考才能有所收获。下面我就展示如何使用现代c++实现一个TypeList，以及对c++11以前的古典版本做些简单的对比。

TypeList的定义

最初的问题是我们要如何存储类型呢？数据可以存变量，单是type和data的不同的东西，怎么办？

聪明的你可能以及想到了，我们可以让模板参数成为type信息的容器。

但是紧接着第二个问题来了，所谓list它的元素数量是固定的，但是直到c++11以前，模板参数的数量都是固定的，那么怎么办？

其实也很简单，参考普通list的链表实现法，我们也可以用相同的思想去构造一个“异质链表”：

template <typename T, typename U> struct TypeList { typedef T Head; typedef U Tail; };

这就是最简单的定义，其中，T是一个普通的类型，而U则是一个普通类型或TypeList。创建TypeList是这样的：

// 创建unsigned char和signed char的list typedef TypeList<unsigned char, signed char> TypedChars; // 现在我们把char也添加进去 typedef TypeList<char, TypeList<unsigned char, signed char> > Chars; // 创建int，short，long，long long的list typedef TypeList<int, TypeList<short, TypeList<long, long long> > > Ints;

可以看到，通过TypeList环环相扣，我们就能把所有的类型都存储在一个模板类组成的链表里了。但是这种实现的弊端有很多：

首先是定义类型不方便，上面的第三个例子中，仅仅为了4个元素的list我们就要写出大量的嵌套代码，可读性大打折扣；

原书中提到，为了简化定义，Loki库提供了TYPELIST_N这个宏，但是它是硬编码的，而且最大只支持50个元素，硬编码在程序员的世界里始终是丑陋的，更不用说还存在硬编码的数量上限，而且这么做也违反了“永远不要复读你自己”的原则，不过对于c++98来说只能如此；

我们没办法清晰得表示只有一个元素或是没有元素的list，所以我们只能引入一个空类NullType来表示list的某一位上没有数据存在，比如：TypeList<char, NullType>或TypeList<NullType, NullType>，当然，你特化出单参数的TypeList也只是换汤不换药。

无法有效得表示list的结尾，除非像上面一样使用NullType最为终结标志。

好在现代c++有变长模板，上述限制大多都不存在了：

template <typename...> struct TypeList; template <typename Head, typename... Tails> struct TypeList<Head, Tails...> { using head = Head; using tails = TypeList<Tails...>; }; // 针对空list的特化 template <> struct TypeList<> {};

通过变长模板，我们可以轻松定义任意长度的list：

using NumericList = TypeList<short, unsigned short, int, unsigned int, long, unsigned long>;

同时，我们特化出了空的TypeList，现在我们可以用它作为终止标记，而不用引入新的类型。如果你对变长模板不熟悉，可以搜索相关的资料，cnblogs上就有很多优质教程，介绍这个语法特性已经超过了本文的讨论范畴。