C++模板元模板实战书籍讲解第一章（元函数与type_traits）

前言

一个深度学习框架的初步实现为例，讨论如何在一个相对较大的项目中深入应用元编程，为系统优化提供更多的可能。

以下是本书的原文《C++模板元编程实战》,由李伟先生所著写。

百度网盘链接:

链接：https://pan.baidu.com/s/1e4QIRSDEfCR7_XK6-j-19w

提取码：57GP

提示：以下是本篇文章正文内容，下面内容主要为个人理解以及少部分正文内容

一、元函数介绍

元函数（Metafunction）是一种在编译时进行计算的模板元编程技术，它可以根据类型参数的信息生成结果类型。元函数可以被用于定义通用的、在编译时计算的类型转换、条件判断、类型推导等需求。

在C++中，元函数主要基于模板元编程（Template Metaprogramming）技术实现。它通过模板特化和递归定义，根据输入的类型参数，在编译期进行类型计算和操作。

元函数可以根据不同的类型参数，生成不同的结果类型。这使得我们可以在编译时根据不同的类型特性动态地生成代码，提高代码的可复用性和灵活性。

constexpr int square(int n) {
    return n * n;
}
int main() {
    constexpr int result = square(5);  // 计算 5 的平方
    // result = 25
    return 0;
}

其中constexpr关键字为C++11的关键字，可以在编译期被调用！具体看我这一期

带你了解并掌握一些C++关键字的使用-CSDN博客

static int call_cout = 3; 
constexpr int fun2(int a) 
{ 
    return a + (call_cout++); 
}

这个程序片段是无法通过编译的，它是错误的。

fun2() 函数尝试在编译期间对 call_cout 进行自增操作。然而，自增操作是一个副作用，它会修改变量的值。由于 call_cout 是一个非常量全局变量，并且 fun2() 尝试修改它的值，这违反了 constexpr 函数不能有副作用的规定。

为了让 fun2() 成为一个合法的 constexpr 函数，你需要确保函数体内没有副作用的操作。换句话说，函数体中的计算只能依赖于其输入参数，并且不能修改状态或执行那些不能在编译期间确定结果的操作。

如果你需要在 fun2() 中使用可变状态，那么你应该考虑将其实现为一个运行时函数，而不是使用 constexpr 关键字。运行时函数可以在程序运行时执行，允许进行副作用操作和状态修改。

以上只是C++涉及到的一种元函数，事实上C++用的更多的是类型元函数-即以类型作为输入和输出的元函数。

二、类型元函数

从数学的角度来看，函数通常可以被写成 y = f(x) 的形式，其中 x 是自变量，y 是因变量，而 f(x) 则表示自变量 x 经过函数 f 的变换所得到的结果。这种表示方式的主要原因如下：

1. 显式展示变量关系：通过使用 y = f(x) 的形式，我们能够直观地看到自变量 x 和因变量 y 之间的关系。这种形式清晰地表达了每个输入值 x 对应的输出值 y。

2. 函数定义的输入输出关系：函数是一种映射关系，它将自变量 x 映射到因变量 y。通过使用 y = f(x) 的形式，我们能够明确说明函数 f 的定义域（输入）和值域（输出）之间的映射关系。

3. 支持通过 x 和 y 之间的关系进行推理和操作：使用 y = f(x) 的形式，我们可以进行函数的运算和分析。我们可以通过给定 x 的值来计算相应的 y 值，也可以反过来，通过给定 y 的值，求解满足条件的 x 值。

4. 便于比较和组合函数：使用 y = f(x) 的形式，我们可以轻松地比较和组合多个函数。通过对比不同函数的表达式 f(x) 和 g(x)，我们可以分析它们的性质并进行比较。而且，可以将一个函数的输出作为另一个函数的输入，从而实现函数的组合。

总的来说，使用 y = f(x) 的形式能够提供一种简洁、直观和通用的方式来表示函数的定义和变换关系，方便了数学的表达和推理。

在数学和计算机科学中，类型元函数（type-level function）是指一种能够在类型级别上操作的函数。它与普通函数（值级别函数）类似，但是在类型系统中起作用，并且操作的是类型而不是具体的值。

类型元函数是一种在类型级别上进行操作和转换的工具，它可以接受类型作为输入，并生成新的类型作为输出。它可以用于类型推断、类型转换、类型约束和类型操作等各种编程和数学任务。

在编程语言中，特别是静态类型语言中，类型元函数可以用于定义和处理复杂的类型系统。它们可以帮助程序员在编译时进行类型检查和验证，提供更强大的类型推断和静态分析能力。

例如，Haskell语言中的类型类（type class）和类型族（type family）就是类型元函数的一种实现方式。类型类定义了一组相关类型的共享行为和操作，而类型族则允许基于输入类型生成输出类型。

#include <iostream>
#include <type_traits>
// 定义类型元函数，判断一个类型是否为整数类型
template <typename T>
struct IsInteger {
    static constexpr bool value = std::is_integral_v<T>;
};
int main() {
    int num = 42;
    double pi = 3.14;
    std::string name = "WeTab";
    std::cout << "IsInteger<int>: " << IsInteger<decltype(num)>::value << std::endl;               // 输出 1
    std::cout << "IsInteger<double>: " << IsInteger<decltype(pi)>::value << std::endl;           // 输出 0
    std::cout << "IsInteger<std::string>: " << IsInteger<decltype(name)>::value << std::endl;  // 输出 0
    return 0;
}

在这个示例代码中，`IsInteger` 是一个用于判断类型是否是整数类型的类型元函数模板。对于每个传入的类型 `T`，`std::is_integral_v<T>` 会返回一个布尔值，表示该类型是否是整数类型。我们使用 `decltype` 获取变量的类型，然后通过 `IsInteger<decltype(num)>::value` 来获取判断结果。

其中 `std::is_integral_v<T>` 是模板 `std::is_integral` 的C++17中引入的变体，用于更方便地获取类型是否是整数类型的信息。

元函数的定义通常包括以下几个关键要素：

1. 使用模板：元函数通常以模板的形式定义，即使用 template 关键字来声明模板参数。
2. 模板参数：元函数通过模板参数来接受输入类型。可以使用一个或多个模板参数，并且可以使用类型、非类型和模板模板参数。
3. 类型操作：元函数在模板定义的函数体内，对传入的类型进行操作、推断和转换。可以使用类型特征、类型转换、类型定义和类型运算等来实现所需的操作。
4. 类型别名或成员常量：元函数通常定义一个类型别名或成员常量，以便在编译时可以访问计算的结果。

三、各式各样的元函数

下面是两个无参元函数的示例，一个用于返回类型，一个用于返回值：

#include <iostream>
#include <type_traits>
// 元函数：返回类型
template <typename T>
struct ReturnTypeName {
    using type = T;
};
int main() {
    // 使用元函数获取返回类型
    typename ReturnTypeName<int>::type num;
    std::cout << "Type of num: " << typeid(num).name() << std::endl;           // 获取 num 的类型
    std::cout << "Type of ReturnTypeName<int>::type: " << typeid(num).name() << std::endl;    // 获取 ReturnTypeName<int>::type 的类型
    return 0;
}

在上述示例代码中，`ReturnTypeName` 是一个元函数，它接受一个模板参数 `T`，并定义了一个类型别名 `type`，用于存储返回的类型。在 `main` 函数中，我们使用这个元函数将 `int` 类型作为模板参数，获取了类型别名 `ReturnTypeName<int>::type` 的返回类型，并将其存储到 `num` 变量中。使用 `typeid` 来获取变量 `num` 和 `ReturnTypeName<int>::type` 的类型。

下面是另一个无参元函数的示例，用于返回值：

#include <iostream>
// 元函数：返回值
template <typename T>
struct ReturnValue {
    static constexpr T value = 42;
};
int main() {
    // 使用元函数获取返回值
    constexpr int result = ReturnValue<int>::value;
    std::cout << "Value return by ReturnValue<int>: " << result << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例代码中，`ReturnValue` 是一个元函数，它接受一个模板参数 `T`，并定义了一个静态常量 `value`，用于存储返回的值。在 `main` 函数中，我们使用这个元函数将 `int` 类型作为模板参数，获取了静态常量 `ReturnValue<int>::value` 的返回值，并将其存储到 `result` 变量中。最后，输出 `result` 的值。

template <int a>
constexpr int fun = a + 1;

为啥说这也是元函数？

使用实例：

#include <iostream>
template <int a>
constexpr int fun = a + 1;
int main() {
    constexpr int result = fun<5>;
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

这个示例中，我们通过调用 fun<5> 来实例化函数模板，并将结果赋值给 result 变量。然后，将 result 的值输出到控制台。根据输入输出的映射关系，fun<5> 将被编译时计算为 5 + 1，结果为 6。因此，输出结果将为 6。

需要注意的是，元函数并不一定需要返回类型或值，它的主要特征在于在编译时对类型或计算进行操作和推断。

四、type_traits

type_traits 元函数库是 C++ 标准库中的一个头文件 `<type_traits>`，它提供了一组元函数模板，用于在编译时对类型进行类型特性的查询和操作。这个库使得开发者能够在编译时进行类型相关的判断和操作，从而实现更加灵活和通用的代码编写。

type_traits 元函数库提供了以下几个常用的元函数模板：

1. `std::is_same<T, U>`：                用于判断类型 `T` 和类型 `U` 是否相同，如果是返回 `true`，否则返回 `false`。
2. `std::is_integral<T>`：               用于判断类型 `T` 是否为整型，如果是返回 `true`，否则返回 `false`。
3. `std::is_floating_point<T>`：         用于判断类型 `T` 是否为浮点型，如果是返回 `true`，否则返回 `false`。
4. `std::is_pointer<T>`：                用于判断类型 `T` 是否为指针类型，如果是返回 `true`，否则返回 `false`。
5. `std::is_array<T>`：                  用于判断类型 `T` 是否为数组类型，如果是返回 `true`，否则返回 `false`。
6. `std::conditional<Condition, T, U>`： 根据条件 `Condition`，在类型 `T` 和类型 `U` 中选择一个作为返回类型。
7. `std::remove_const<T>`：              从类型 `T` 中移除 `const` 修饰符，返回结果类型。
8. `std::add_pointer<T>`：               给类型 `T` 添加一个指针修饰符，返回指针类型。
9. `std::enable_if<Condition, T>`：      在满足条件 `Condition` 为真时，定义一个类型 `T`，否则不定义。

这些元函数模板允许在编译时根据类型特性进行条件判断、类型转换和类型推导等操作，极大地增强了 C++ 语言的灵活性和表达能力。

使用 type_traits 元函数库需要包含头文件 `<type_traits>`，然后根据需要选择合适的元函数模板进行使用。

4.1 std::remove_reference<T>

`std::remove_reference<T>` 是 type_traits 元函数库中的一个元函数模板，用于从类型 `T` 中移除引用修饰符。它返回一个新类型，该新类型是从 `T` 移除了引用修饰符的版本。

用法如下：

#include <iostream>
#include <type_traits>
int main() {
    int x = 42;
    int& rx = x;
    std::remove_reference<decltype(rx)>::type y = 99;
    std::cout << "y: " << y << std::endl;   // 输出 y: 99
    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们定义了一个变量 `x`，并用 `int&` 创建了一个引用变量 `rx`。然后，我们使用 decltype 关键字获取 `rx` 的类型，并通过 `std::remove_reference` 元函数模板获得它的非引用版本，即 `int`。最后，我们使用 `int` 类型的变量 `y` 来存储一个整数值，并输出它的值。

需要注意的是，`std::remove_reference<T>::type` 是一个用于获取移除了引用修饰符的类型的别名。在上述示例中，`std::remove_reference<decltype(rx)>::type` 将被推导为 `int` 类型。

4.2 std::remove_reference_t<T>

`std::remove_reference_t<T>` 是 type_traits 元函数库中的一个类型别名模板，用于从类型 `T` 中移除引用修饰符，并直接获得移除引用后的类型。

用法如下：

#include <iostream>
#include <type_traits>
int main() {
    int x = 42;
    int& rx = x;
    std::remove_reference_t<decltype(rx)> y = 99;
    std::cout << "y: " << y << std::endl;   // 输出 y: 99
    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们定义了一个变量 `x`，并用 `int&` 创建了一个引用变量 `rx`。然后，我们使用 decltype 关键字获取 `rx` 的类型，并通过 `std::remove_reference_t` 类型别名模板获得它的非引用版本，即 `int`。最后，我们使用 `int` 类型的变量 `y` 来存储一个整数值，并输出它的值。

`std::remove_reference_t<T>` 是 C++14 引入的类型别名模板，它直接返回移除引用修饰符后的类型，省去了使用 `::type` 获取类型的步骤，使代码更加简洁和直观。

使用 `std::remove_reference_t` 可以方便地获得移除引用修饰符后的类型，并在编写代码时避免引用相关的类型操作和模板特例化。

五、元函数与宏

它们之间的一些关系：

1. 功能：元函数是在编译时进行类型查询和操作的函数模板，而宏是在预编译阶段进行文本替换和代码转换的预处理指令。元函数主要用于类型相关的操作和判断，而宏主要用于文本替换和代码生成。
2. 类型安全：元函数在编译时执行类型检查，因此可以提供更好的类型安全性和错误检查。而宏在预处理阶只进行简单的文本替换，不进行类型检查，容易引入潜在的类型错误。
3. 
   
4. 可读性：元函数使用标准的C++语法进行类型操作，可以提供更加清晰和可读的代码。宏使用宏语法和额外的符号替换规则，可能会使代码变得晦涩难懂。
5. 执行时机：元函数是在编译时展开和执行的，因此可以提供更高的性能和效率。而宏是在预处理阶段替换代码，会增加编译时间和生成更多的中间代码。

以下是书中原图:

六、书中元函数的命名方式

总结

总而言之，元函数是在编译期间对类型进行操作和计算的模板函数，它们利用编译器的模板元编程能力来实现类型转换、判断和计算。通过使用递归、模板特化和类型 trait，元函数能够处理复杂的类型结构和条件情况，并提供编译期间的灵活性和性能优化。元函数在实现类型 trait、条件化编译和元编程库中都扮演着重要的角色，为 C++ 提供了更高层次的抽象和编程能力。