【C++ 泛型编程进阶篇】C++元模板编程与设计模式的结合应用教程（一）-阿里云开发者社区

1. 引言

1.1 文章目的和预期读者

本文的目的是深入探讨C++元模板（C++ Metatemplates）和设计模式（Design Patterns）的结合，以及设计模式在模板编程中的应用。预期的读者是具有一定C++编程基础，对元模板和设计模式有一定了解，并希望进一步提升这两方面技能的开发者。

在口语交流中，我们可以这样描述这个主题：“We’re going to delve into the combination of C++ metatemplates and design patterns, and how design patterns are applied in template programming."（我们将深入探讨C++元模板和设计模式的结合，以及设计模式在模板编程中的应用。）

1.2 C++元模板和设计模式的重要性

C++元模板是一种强大的编程工具，它允许在编译时进行计算和类型生成，从而提高运行时性能。设计模式则是一种解决常见编程问题的经验总结，它可以帮助我们编写可复用和可维护的代码。

在口语交流中，我们可以这样描述这个主题：“C++ metatemplates are a powerful programming tool that allows computations and type generation at compile time, improving runtime performance. Design patterns, on the other hand, are a summary of experience in solving common programming problems, helping us write reusable and maintainable code."（C++元模板是一种强大的编程工具，它允许在编译时进行计算和类型生成，从而提高运行时性能。另一方面，设计模式是解决常见编程问题的经验总结，它可以帮助我们编写可复用和可维护的代码。）

在C++的经典著作《C++ Templates: The Complete Guide》中，David Vandevoorde和Nicolai M. Josuttis强调了元模板和设计模式在现代C++编程中的重要性。他们指出，元模板可以帮助我们编写出更高效的代码，而设计模式则可以帮助我们更好地组织和理解代码。

2. C++元模板的特性和应用

2.1 元模板的特性

元模板（Metatemplates）是一种在编译时进行计算的技术，它允许我们在编译时生成和操作类型和常量。这种技术的主要优点是它可以提高运行时的性能，因为所有的计算都在编译时完成。然而，元模板编程也有其复杂性，需要深入理解C++的模板系统。

2.1.1 类型计算（Type Computation）

元模板可以用于在编译时进行类型计算。例如，我们可以创建一个模板，该模板根据其模板参数生成新的类型。这种类型计算的一个常见用例是类型萃取（type traits），它允许我们在编译时获取关于类型的信息。

例如，我们可以定义一个is_integral模板，该模板根据其模板参数是否为整数类型返回true或false。这个模板可以用于编译时断言（compile-time assertions）或使函数模板仅对整数类型进行实例化。

template<typename T>
struct is_integral {
    static const bool value = false;
};
template<>
struct is_integral<int> {
    static const bool value = true;
};
template<>
struct is_integral<long> {
    static const bool value = true;
};
// 使用
static_assert(is_integral<int>::value, "int should be an integral type");

在上述代码中，我们定义了一个is_integral模板，并为int和long类型提供了特化版本。然后，我们可以使用static_assert来检查is_integral::value是否为true，如果不是，编译器将生成一个错误。

2.1.2 值计算（Value Computation）

元模板也可以用于在编译时进行值计算。这种计算通常用于生成编译时常量，例如斐波那契数列或阶乘。

例如，我们可以定义一个factorial模板，该模板在编译时计算阶乘。

template<unsigned int N>
struct factorial {
    static const unsigned int value = N * factorial<N - 1>::value;
};
template<>
struct factorial<0> {
    static const unsigned int value = 1;
};
// 使用
constexpr unsigned int fact5 = factorial<5>::value;  // fact5在编译时被计算为120

在上述代码中，我们定义了一个factorial模板，并为0提供了特化版本。然后，我们可以使用constexpr来创建一个编译时常量fact5，其值为factorial<5>::value，即120。

为了更深入地理解元模板的高级特性，我推荐以下一些资源：

A gentle introduction to Template Metaprogramming with C++：这是一篇非常好的入门文章，它详细地解释了元模板的基本概念和用法。
Practical C++ Metaprogramming：这本书提供了一些实用的元模板编程技巧和示例。
C++ Templates：这本书是由David Vandevoorde撰写的，他是C++模板的专家。这本书详细地介绍了C++模板，包括元模板。
Metaprogramming in C++: A Gentle Introduction：这篇文章提供了一些元模板编程的基本示例，以及如何在实际代码中使用元模板。
Template Metaprogramming: Type Traits (part 1 of 2) - Jody Hagins - CppCon 2020：这是一个视频教程，它详细地解释了如何使用元模板进行类型萃取。

2.2 元模板的应用

元模板的高级应用通常涉及到复杂的编译时计算和类型生成。在这一部分，我们将探讨两个高级应用：编译时排序（Compile-time Sorting）和编译时函数调度（Compile-time Function Dispatching）。

2.2.1 编译时排序（Compile-time Sorting）

编译时排序是元模板的一个高级应用，它允许我们在编译时对一组常量进行排序。这种技术可以用于优化那些依赖于常量排序的算法。

例如，我们可以定义一个sort模板，该模板接受一个整数序列，并在编译时返回一个排序后的序列。

template<int... Is>
struct integer_sequence {};
template<typename T, T... Ns>
constexpr auto sort(integer_sequence<T, Ns...>) {
    // 在这里实现编译时排序算法
    // 返回一个排序后的integer_sequence
}
// 使用
using sorted_sequence = sort(integer_sequence<int, 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5>);

在上述代码中，我们定义了一个sort模板，该模板接受一个integer_sequence，并返回一个排序后的序列。然后，我们可以使用sort模板来创建一个编译时常量sorted_sequence，其值为排序后的序列。

2.2.2 编译时函数调度（Compile-time Function Dispatching）

编译时函数调度是元模板的另一个高级应用，它允许我们在编译时根据类型或常量选择要调用的函数。这种技术可以用于优化那些依赖于类型或常量的函数调用。

例如，我们可以定义一个dispatch模板，该模板接受一个类型和一个整数，然后根据这些参数在编译时选择要调用的函数。

template<typename T, int N>
auto dispatch() {
    if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
        // 如果T是int类型，根据N的值调用不同的函数
        if constexpr (N == 0) {
            return function_for_int_0();
        } else {
            return function_for_int_N();
        }
    } else {
        // 如果T不是int类型，调用一个默认的函数
        return default_function();
    }
}
// 使用
auto result = dispatch<int, 0>();  // 在编译时调用function_for_int_0

在上述代码中，我们定义了一个dispatch模板，该模板接受一个类型T和一个整数N，然后根据这些参数在编译时选择要调用的函数。

3. 设计模式的话题

3.1 设计模式的特性

设计模式（Design Patterns）是软件工程中的一个重要概念，它为常见的软件设计问题提供了经过验证的解决方案。设计模式可以帮助我们编写可重用、可维护和可理解的代码。在这一节中，我们将深入探讨设计模式的高级特性。

3.1.1 设计模式的分类

设计模式通常可以分为三大类：创建型（Creational）、结构型（Structural）和行为型（Behavioral）。每一种类型的设计模式都有其特定的用途和应用场景。

类型	描述	示例
创建型	这类设计模式与对象的创建有关，它们提供了一种在创建对象时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用新的运算符直接创建对象。这使得程序在判断使用哪些对象时更加灵活。	工厂模式（Factory Pattern）、抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）、单例模式（Singleton Pattern）等
结构型	这类设计模式与类和对象的组合有关，它们帮助确保当部分改变时，整个系统的结构不会改变。	适配器模式（Adapter Pattern）、桥接模式（Bridge Pattern）、装饰器模式（Decorator Pattern）等
行为型	这类设计模式与对象之间的通信有关，它们提供了一种更好的对象交互方式，并使这些交互方式更加灵活。	策略模式（Strategy Pattern）、模板方法模式（Template Method Pattern）、观察者模式（Observer Pattern）等

3.1.2 设计模式的应用

设计模式的应用并不是一成不变的，它们可以根据具体的需求和环境进行调整。例如，工厂模式（Factory Pattern）通常用于创建具有共同接口的对象，但在具体的实现中，我们可能会根据需要选择使用简单工厂模式（Simple Factory Pattern）、工厂方法模式（Factory Method Pattern）或抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）。

在实际的编程中，我们可能会遇到一些复杂的问题，这时候，我们可以结合使用多种设计模式来解决问题。例如，我们可以使用观察者模式（Observer Pattern）和策略模式（Strategy Pattern）来实现一个灵活的事件处理系统。

3.2 模板编程中的设计模式

模板编程是C++中的一种编程范式，它允许程序员在编译时进行计算和操作类型。模板编程可以提高代码的重用性和灵活性，但同时也增加了代码的复杂性。在模板编程中，我们可以使用设计模式来解决一些常见的问题。

3.2.1 策略模式（Strategy Pattern）

策略模式是一种行为型设计模式，它定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。在模板编程中，我们可以使用策略模式来定义一系列的策略或者行为，然后在编译时选择最合适的策略。

例如，我们可以定义一个排序函数，该函数接受一个策略参数，该参数决定了应该使用哪种排序算法。在编译时，我们可以根据需要选择使用冒泡排序、快速排序或者其他排序算法。

template <typename Strategy>
void sort(std::vector<int>& data) {
    Strategy().sort(data);
}
struct BubbleSort {
    void sort(std::vector<int>& data) {
        // 实现冒泡排序
    }
};
struct QuickSort {
    void sort(std::vector<int>& data) {
        // 实现快速排序
    }
};
// 使用冒泡排序
sort<BubbleSort>(data);
// 使用快速排序
sort<QuickSort>(data);

在这个例子中，BubbleSort和QuickSort是两种不同的排序策略，我们可以在编译时选择使用哪种策略。

4. 设计模式与元模板的结合

在本章节中，我们将探讨如何将设计模式（Design Patterns）与元模板（Metatemplates）结合在一起，以提高代码的可读性，可维护性和可复用性。我们将重点关注以下四种设计模式：单例模式（Singleton Pattern）、工厂模式（Factory Pattern）、策略模式（Strategy Pattern）和观察者模式（Observer Pattern）。

4.1 设计模式与元模板的结合

4.1.1 单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，它保证一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在C++中，我们可以使用元模板来实现单例模式。

以下是一个使用元模板实现的单例模式的例子：

template <typename T>
class Singleton {
public:
    static T& Instance() {
        static T instance;
        return instance;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton) = delete;
protected:
    Singleton() {}
};
class MyClass : public Singleton<MyClass> {
    friend class Singleton<MyClass>;
private:
    MyClass() {}
};

在这个例子中，我们创建了一个名为Singleton的模板类，它可以用来创建任何类型的单例对象。然后，我们创建了一个名为MyClass的类，它继承自Singleton，这样就创建了一个MyClass的单例对象。

4.1.2 工厂模式

工厂模式（Factory Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，创建对象的工作被移交给一个工厂类的方法，这个方法返回一个新创建的对象。

下面是一个使用元模板实现的工厂模式的例子：

template <class Base, class... Args>
class Factory {
public:
    template <class Derived>
    void Register() {
        static_assert(std::is_base_of<Base, Derived>::value, "Derived not derived from Base");
        creators_[typeid(Derived).name()] = &Creator<Derived>;
    }
    std::unique_ptr<Base> Create(const std::string& type, Args... args) {
        auto it = creators_.find(type);
        if (it == creators_.end()) {
            throw std::invalid_argument("Unknown type");
        }
        return it->second(std::forward<Args>(args)...);
    }
private:
    template <class Derived>
    static std::unique_ptr<Base> Creator(Args... args) {
        return std::make_unique<Derived>(std::forward<Args>(args)...);
    }
    std::unordered_map<std::string, std::function<std::unique_ptr<Base>(Args...)>> creators_;
};

在这个例子中，我们创建了一个名为Factory的模板类，它可以用来创建任何类型的

对象。然后，我们使用Register方法注册每种类型的创建函数。当我们想要创建一个对象时，我们调用Create方法，并提供我们想要创建的对象的类型。

以下是工厂模式的示意图：

4.1.3 策略模式

策略模式（Strategy Pattern）是一种行为设计模式，它定义了一系列的算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。策略模式让算法的变化独立于使用算法的客户。

以下是一个使用元模板实现的策略模式的例子：

template <typename Strategy>
class Context {
public:
    Context(Strategy strategy) : strategy_(strategy) {}
    void ExecuteStrategy() {
        strategy_.Execute();
    }
private:
    Strategy strategy_;
};
class ConcreteStrategyA {
public:
    void Execute() {
        // Implementation of the strategy
    }
};
class ConcreteStrategyB {
public:
    void Execute() {
        // Implementation of the strategy
    }
};

在这个例子中，我们创建了一个名为Context的模板类，它可以用来执行任何类型的策略。然后，我们创建了两个具体的策略类：ConcreteStrategyA和ConcreteStrategyB，它们都有一个Execute方法来实现具体的策略。

4.1.4 观察者模式

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为设计模式，它定义了对象之间的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并被自动更新。

以下是一个使用元模板实现的观察者模式的例子：

template <typename T>
class Observable {
public:
    void Subscribe(T* observer) {
        observers_.push_back(observer);
    }
    void Notify() {
        for (T* observer : observers_) {
            observer->Update();
        }
    }
private:
    std::vector<T*> observers_;
};
class ConcreteObserver {
public:
    void Update() {
        // React to the update
    }
};

在这个例子中，我们创建了一个名为Observable的模板类，它可以被任何类型的观察者订阅。然后，我们创建了一个具体的观察者类ConcreteObserver，它有一个Update方法来响应更新。

【C++ 泛型编程进阶篇】C++元模板编程与设计模式的结合应用教程（二）https://developer.aliyun.com/article/1466056

【C++ 泛型编程进阶篇】C++元模板编程与设计模式的结合应用教程（一）

1. 引言

1.1 文章目的和预期读者

1.2 C++元模板和设计模式的重要性

2. C++元模板的特性和应用

2.1 元模板的特性

2.1.1 类型计算（Type Computation）

2.1.2 值计算（Value Computation）

2.2 元模板的应用

2.2.1 编译时排序（Compile-time Sorting）

2.2.2 编译时函数调度（Compile-time Function Dispatching）

3. 设计模式的话题

3.1 设计模式的特性

3.1.1 设计模式的分类

3.1.2 设计模式的应用

3.2 模板编程中的设计模式

3.2.1 策略模式（Strategy Pattern）

4. 设计模式与元模板的结合

4.1 设计模式与元模板的结合

4.1.1 单例模式

4.1.2 工厂模式

4.1.3 策略模式

4.1.4 观察者模式

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1. 引言

1.1 文章目的和预期读者

1.2 C++元模板和设计模式的重要性

2. C++元模板的特性和应用

2.1 元模板的特性

2.1.1 类型计算（Type Computation）

2.1.2 值计算（Value Computation）

2.2 元模板的应用

2.2.1 编译时排序（Compile-time Sorting）

2.2.2 编译时函数调度（Compile-time Function Dispatching）

3. 设计模式的话题

3.1 设计模式的特性

3.1.1 设计模式的分类

3.1.2 设计模式的应用

3.2 模板编程中的设计模式

3.2.1 策略模式（Strategy Pattern）

4. 设计模式与元模板的结合

4.1 设计模式与元模板的结合

4.1.1 单例模式

4.1.2 工厂模式

4.1.3 策略模式

4.1.4 观察者模式

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