Template metaprogramming 學習筆記

tags: template metaprogramming c++11 template specialization partial specialization

Introduction

這裡嘗試從 C++11 規格來學習 Template metaprogramming。_{(Template metaprogramming 並不是只能在 C++ 中實現)}

struct template

C++11, 21.2 Character traits 提到了一個 struct template 和 4 個相關的 explicit specializations，char_traits<char>、char_traits<char16_t>、char_traits<char32_t> 和char_traits<wchar_t>。先看一段 gcc 的 code 來感受一下 struct template 和 explicit specialization。

libstdc++-v3, char_traits.h, line 283

template<class _CharT>
    struct char_traits : public __gnu_cxx::char_traits<_CharT>
    { };

libstdc++-v3, char_traits.h, line 288

/// 21.1.3.1  char_traits specializations
  template<>
    struct char_traits<char>
    {
    ...
    };

實驗

參考上面 gcc 在 char_traits 的實作，寫一小段 code 體會一下 explicit specializations。
第 8、14 行的 char_traits<char> 和 char_traits<wchar_t> 就是 char_traits 的 explicit specializations。

#include <iostream>

template<class _CharT>
    struct char_traits : public __gnu_cxx::char_traits<_CharT>
    { };

template<>
    struct char_traits<char>
    {
      typedef char              char_type;
    };

template<>
    struct char_traits<wchar_t>
    {
      typedef wchar_t           char_type;
    };

int main(){
    return 0;
}

$ gcc template.cpp -lstdc++ -o template

Template function

• Function templates
• Template argument deduction
• Type deduction
• Overload Resolution

從 C++11 _{(20.8.11.2 Class template function)} 看一下 template function 怎麼寫。

template<class> class function; // undefined
template<class R, class... ArgTypes>
class function<R(ArgTypes...)> {
   ...
};

C++11 _{(14.5.6 Function templates)} 對 function template 的定義是這樣

A function template defines an unbounded set of related functions.

C++11 _{(14.5.6.2/4 Partial ordering of function templates)} 有一些範例

template<class T> void f(T);
template<class T> void f(T*);
template<class T> void f(const T*);

實驗

參考上述 C++11 規格寫一段 code 來感受一下 function template。

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T> void f(T){
    std::cout << "f(T)" << std::endl;                                           
};

template<class T> void f(T*){
    std::cout << "f(T*)" << std::endl;
};

template<class T> void f(const T*){
    std::cout << "f(const T*)" << std::endl;
};

int main(){
    const double *p;
    f(p);
    return 0;
}

第 18 行 f(p);，如 C++11 _{(14.5.6.2/4 Partial ordering of function templates)} 所說

f(const T*) is more specialized than f(T) or f(T*)

所以 output 會是 f(const T*)

$ gcc template-func.cpp -lstdc++ -o template-func
$ ./template-func 
f(const T*)

Template specialization

• C++11 對 Template specialization 的定義
• partial specialization

C++11 規格, 14.5.5.3 對 Template specialization 的定義是這樣

A class template specialization is a distinct template. The members of the class template partial specialization are unrelated to the members of the primary template.

舉例說明 template specialization 和 partial specialization

template<class T, int I> struct A {
   void f();
};

template<class T, int I> void A<T, I>::f() { };

template<class T> struct A<T, 2> {
   void f();
};

int main()
{
   A<char, 2> a2;
   a2.f();    // 不會呼叫 template<class T, int I> void A<T, I>::f() { };
   return 0;
}

A<T, I>::f() 和 A<T, 2>::f() 是 unrelated，所以 A<char, 2> 是未定義的。因此，link 的時候會出現以下的 error：(link-time 就可以發現這個 error，不用等到 run-time)

$ gcc -std=c++11 test.cpp -o test
/tmp/ccw9gLnA.o: 於函式 main:
test.cpp:(.text+0x1f): 未定義參考到 A<char, 2>::f()
collect2: error: ld returned 1 exit status

Reference

• P00557r1, Concepts: The Future of Generic Programmingor How to design good concepts and use them well, Bjarne Stroustrup, 2017-01-31
• C++ Templates are Turing Complete (2003), Todd L. Veldhuizen