C++ 模板元编程语法大全

news2025/6/1 17:27:44

C++ 模板元编程语法大全

模板元编程(Template Metaprogramming, TMP)是C++中利用模板在编译期进行计算和代码生成的强大技术。以下是C++模板元编程的核心语法和概念总结：

1. 基础模板语法

类模板

template <typename T>
class MyClass {
    // 类定义
};

函数模板

template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

非类型模板参数

template <typename T, int N>
class Array {
    T data[N];
    // ...
};

2. 模板特化

全特化

template <>
class MyClass<int> {
    // 针对int类型的特化实现
};

偏特化

template <typename T>
class MyClass<T*> {
    // 针对指针类型的偏特化
};

3. 可变参数模板

template <typename... Args>
void print(Args... args);

// 递归展开
template <typename T, typename... Rest>
void print(T first, Rest... rest) {
    std::cout << first << " ";
    print(rest...);
}

// 终止条件
void print() {}

4. SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error)

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, T>::type
foo(T t) {
    // 仅对整数类型有效
    return t;
}

5. 类型萃取 (Type Traits)

#include <type_traits>

// 检查类型是否是整数
static_assert(std::is_integral<int>::value, "int is integral");

// 移除const限定符
std::remove_const<const int>::type;  // int

6. 编译期计算

编译期阶乘

template <int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N-1>::value;
};

template <>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

constexpr int fact5 = Factorial<5>::value;  // 120

constexpr函数 (C++11起)

constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n-1);
}
constexpr int fact5 = factorial(5);  // 120

7. 模板元编程常用技巧

条件选择

template <bool B, typename T, typename F>
using Conditional = typename std::conditional<B, T, F>::type;

编译期判断

template <typename T1, typename T2>
struct IsSame {
    static const bool value = false;
};

template <typename T>
struct IsSame<T, T> {
    static const bool value = true;
};

类型列表操作

template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 获取第一个类型
template <typename List>
struct Front;

template <typename Head, typename... Tail>
struct Front<TypeList<Head, Tail...>> {
    using type = Head;
};

8. C++17及以后的新特性

if constexpr

template <typename T>
auto get_value(T t) {
    if constexpr (std::is_pointer_v<T>) {
        return *t;
    } else {
        return t;
    }
}

折叠表达式

template <typename... Args>
auto sum(Args... args) {
    return (args + ...);  // 折叠表达式
}

概念(Concepts) (C++20)

template <typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

template <Integral T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

9. 模板元编程实用工具

编译期字符串

template <char... Chars>
struct FixedString {
    static constexpr char value[] = {Chars..., '\0'};
};

编译期数组

template <typename T, T... Values>
struct ValueList {
    static constexpr T array[] = {Values...};
};

10. 高级技巧

CRTP (奇异递归模板模式)

template <typename Derived>
class Base {
    void interface() {
        static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }
};

class Derived : public Base<Derived> {
    void implementation();
};

表达式模板

template <typename L, typename R>
struct AddExpr {
    L const& lhs;
    R const& rhs;
    
    auto operator[](size_t i) const { return lhs[i] + rhs[i]; }
};

template <typename E>
class Vec {
    // 通过表达式模板实现延迟计算
};