C++学习笔记37:元编程

元编程

什么是元编程（metaprogramming）

• 利用模板可以进行编译期计算（数值计算，型式计算和代码计算）的特点进行程序设计

为什么可以进行元编程?

• C++是两层语言：执行编译期计算的代码称为静态代码，执行运行期计算的代码称为动态代码
• 模板可用于函数式编程，强调抽象计算，重视模块化，使用递归控制流程
• 模板是图灵完备的：理论上，模板可以执行任何计算任务

为什么需要元编程？

• 编译期计算可以使代码更通用，更易用，提升程序执行性能

元编程的缺点

• 相对结构化编程，编译效率比较低
• 代码丑陋不堪，阅读难，调试难，维护难，易导致代码膨胀

元编程可以做什么？

• 数值序列计算，素性判断，控制结构，循环展开，型式判定，编译期多态，标签，元容器...

注：对于系统编程而言，意义不明显；

//Fibonacci数列
#include <iostream>
//类模板，计算Fibonacci数列的第i项
template<int i = 1> class Fibonacci
{
public:
    enum{value = Fibonacci<i-1>::value + Fibonacci<i-2>::value};
};
//类模板特化，递归终止条件
template<> class Fibonacci<2> {public:enum{value = 1}; };
template<> class Fibonacci<1> {public:enum{value = 1}; };
int main()
{
    std::cout << "Fib(" << 1 << ")=" << Fibonacci<1>::value << std::endl;
    std::cout << "Fib(" << 2 << ")=" << Fibonacci<2>::value << std::endl;
    std::cout << "Fib(" << 3 << ")=" << Fibonacci<3>::value << std::endl;
    std::cout << "Fib(" << 4 << ")=" << Fibonacci<4>::value << std::endl;

    return 0;
}

例子2：素数枚举

#include <iostream>
#include <iomanip>
//递归计算p是否为素数；若是，素数判定结论answer为1，否则为0
template<int p, int i> struct PrimeMagicCube
{
    enum{answer = p%i && PrimeMagicCube<p,i-1>::answer};
};
//素数魔方类模板部分特化，递归终止条件，除数为1，没有找到因子
template<int p>struct PrimeMagicCube<p,1>
{
    enum{answer = 1};
};
//数值类模板，输出不大于i的全部素数
template<int i> struct Number
{
    Number<i - 1> a;//递归定义数值对象
    enum {answer = PrimeMagicCube<i,i-1>::answer};
    void IsPrime()
    {
        //先降序输出全部素数，后升序输出全部数值素性序列
        if (answer) std::cout << std::setw(4) << std::right << i;
        a.IsPrime();//递归调用，计算下一数值的素性
        std::cout << std::setw(2) << answer;
    }
};

//数值类模板特化，终止于2
template<> struct Number<2>
{
    enum{answer = 1};
    void IsPrime()
    {
        std::cout << std::setw(4) << std::right << 2 << std::endl;
        std::cout << std::setw(2) << answer;
    }
};

int main()
{
    Number<100> a;//输出100内的所有素数
    a.IsPrime();
    std::cout << std::endl;
}