Skip to content

Latest commit

 

History

History
1415 lines (1040 loc) · 44.4 KB

C++039：模板元编程：类型列表与元函数.md

File metadata and controls

1415 lines (1040 loc) · 44.4 KB
title: 'C++模板元编程中的类型列表与元函数'
categories:
  - [开发,cpp]
tags:
  - c++
  - cpp
  - 模板元编程
  - c++模板

C++模板元编程中的类型列表与元函数

引言

C++模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）是一种在编译期通过模板来执行计算的技术。它允许我们在编译期进行复杂的逻辑操作，比如类型计算、条件判断、循环等。模板元编程的核心思想是将计算从运行期转移到编译期，从而提高程序的性能和灵活性。

在模板元编程中，类型列表和元函数是两个非常重要的概念。类型列表用于表示一组类型，而元函数则是用于在编译期对这些类型进行操作的工具。本文将通过详细的代码示例和逐步分析，带你深入理解这两个概念。

1. 类型列表

1.1 什么是类型列表？

类型列表（Type List）是模板元编程中用于表示一组类型的数据结构。它通常由模板类或模板特化来实现。类型列表可以包含任意数量的类型，并且可以在编译期进行操作。

1.2 实现一个简单的类型列表

我们先从一个简单的类型列表开始。假设我们想要定义一个包含三个类型的类型列表：int、double 和 char。

// 定义一个类型列表的模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 使用 TypeList 定义一个具体的类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;

在上面的代码中，我们定义了一个模板类 TypeList，它接受任意数量的类型参数。然后我们使用 TypeList 定义了一个具体的类型列表 MyTypeList，它包含了 int、double 和 char 三个类型。

1.3 类型列表的基本操作

类型列表的基本操作包括：

  • 获取列表长度：获取类型列表中类型的数量。
  • 获取特定位置的类型：从类型列表中提取某个位置的类型。
  • 连接两个类型列表：将两个类型列表合并成一个新的类型列表。
  • 过滤类型列表：根据某些条件过滤类型列表中的类型。

接下来，我们将逐一实现这些操作。

1.3.1 获取列表长度

我们可以通过模板特化来实现获取类型列表长度的功能。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义一个类型列表的模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 定义一个具体的类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;

// 获取类型列表长度的元函数
template <typename List>
struct Length;

// 基本情况：空列表
template <>
struct Length<TypeList<>> {
    static constexpr size_t value = 0;
};

// 递归情况：非空列表
template <typename T, typename... Ts>
struct Length<TypeList<T, Ts...>> {
    static constexpr size_t value = 1 + Length<TypeList<Ts...>>::value;
};

// 测试代码
int main() {
    // 使用 Length 获取类型列表的长度
    static_assert(Length<MyTypeList>::value == 3, "Length should be 3");

    // 输出长度
    std::cout << "Length of MyTypeList: " << Length<MyTypeList>::value << std::endl;

    return 0;
}
代码拆解分析
1. 定义类型列表
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;

  • TypeList 模板类：

    • TypeList 是一个模板类，使用可变参数模板 typename... Ts 来表示任意数量的类型参数。
    • 它本身不包含任何数据或逻辑，只是一个用于表示类型列表的容器。

  • MyTypeList 类型别名：

    • MyTypeList 是一个具体的类型列表，包含了 int、double 和 char 三种类型。
    • 通过 TypeList<int, double, char> 实例化 TypeList 模板类，形成一个类型列表。
2. 获取类型列表长度的元函数
template <typename List>
struct Length;
  • Length 元函数模板：
    • Length 是一个模板类，用于计算类型列表的长度。
    • 它的模板参数 List 是一个类型列表（即 TypeList<...>）。
3. 基本情况：空列表
template <>
struct Length<TypeList<>> {
    static constexpr size_t value = 0;
};

  • 特化模板：

    • 这里对 Length 进行了特化，专门处理空列表的情况。
    • TypeList<> 表示一个空列表。

  • 返回值：

    • static constexpr size_t value = 0; 表示空列表的长度为 0。
    • static constexpr 表示这是一个编译期常量，值为 0。
4. 递归情况：非空列表
template <typename T, typename... Ts>
struct Length<TypeList<T, Ts...>> {
    static constexpr size_t value = 1 + Length<TypeList<Ts...>>::value;
};

  • 递归模板：

    • 这里对 Length 进行了递归定义，用于处理非空列表的情况。
    • TypeList<T, Ts...> 表示一个非空列表，其中 T 是列表的第一个类型，Ts... 是剩余的类型。

  • 递归逻辑：

    • static constexpr size_t value = 1 + Length<TypeList<Ts...>>::value;
      • 1 表示当前列表的第一个类型 T。
      • Length<TypeList<Ts...>>::value 递归计算剩余类型列表 Ts... 的长度。
      • 最终结果是当前类型 T 的长度（1）加上剩余类型列表的长度。

  • 递归终止条件：

    • 当 Ts... 为空时，会匹配到基本情况 Length<TypeList<>>，返回 0，递归终止。
5. 测试代码
int main() {
    // 使用 Length 获取类型列表的长度
    static_assert(Length<MyTypeList>::value == 3, "Length should be 3");

    // 输出长度
    std::cout << "Length of MyTypeList: " << Length<MyTypeList>::value << std::endl;

    return 0;
}

  • static_assert：

    • static_assert(Length<MyTypeList>::value == 3, "Length should be 3");
      • 在编译期检查 MyTypeList 的长度是否为 3。
      • 如果长度不为 3，编译器会报错并输出错误信息 "Length should be 3"。

  • 输出长度：

    • std::cout << "Length of MyTypeList: " << Length<MyTypeList>::value << std::endl;
      • 在运行期输出 MyTypeList 的长度。
      • Length<MyTypeList>::value 是一个编译期常量，但在运行期可以直接使用。
运行结果

如果将上述代码复制到支持 C++11 及以上标准的 IDE（如 Visual Studio、Clang 或 GCC）中运行，输出结果为：

Length of MyTypeList: 3
详细分析
1. 编译期计算
  • 编译器如何处理递归模板：
    • 编译器在编译期会展开递归模板。
    • 对于 Length<TypeList<int, double, char>>，编译器会依次展开：
      • Length<TypeList<int, double, char>> → 1 + Length<TypeList<double, char>>::value
      • Length<TypeList<double, char>> → 1 + Length<TypeList<char>>::value
      • Length<TypeList<char>> → 1 + Length<TypeList<>>::value
      • Length<TypeList<>> → 0
    • 最终结果为 1 + 1 + 1 + 0 = 3。
2. 递归的终止条件
  • 为什么递归会终止：
    • 当 Ts... 为空时，会匹配到基本情况 Length<TypeList<>>，返回 0。
    • 如果没有基本情况，递归会无限展开，导致编译错误。
3. 元函数的本质
  • 元函数的特点：
    • 元函数是一个编译期函数，输入是类型或常量，输出也是类型或常量。
    • 元函数通过模板特化和递归来实现复杂的编译期计算。
总结

通过这段代码，我们实现了一个简单的元函数 Length，用于计算类型列表的长度。代码的核心是递归模板和模板特化，通过递归展开和终止条件，编译器可以在编译期完成复杂的计算。

1.3.2 获取特定位置的类型

我们可以通过模板特化来实现获取特定位置类型的功能。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits> // 用于 std::is_same_v

// 定义一个类型列表的模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 定义一个类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;

// 基本情况：空列表
template <size_t Index, typename... Ts>
struct TypeAt;

// 特化情况：Index 为 0
template <typename T, typename... Ts>
struct TypeAt<0, TypeList<T, Ts...>> {
    using type = T;
};

// 递归情况：Index 不为 0
template <size_t Index, typename T, typename... Ts>
struct TypeAt<Index, TypeList<T, Ts...>> {
    using type = typename TypeAt<Index - 1, TypeList<Ts...>>::type;
};

// 使用 TypeAt 获取特定位置的类型
using FirstType = TypeAt<0, MyTypeList>::type;  // int
using SecondType = TypeAt<1, MyTypeList>::type; // double
using ThirdType = TypeAt<2, MyTypeList>::type;  // char

// 测试函数，验证结果
void test() {
    std::cout << std::boolalpha; // 打印布尔值为 true/false

    // 验证 FirstType 是否为 int
    std::cout << "FirstType is int: " << std::is_same_v<FirstType, int> << std::endl;

    // 验证 SecondType 是否为 double
    std::cout << "SecondType is double: " << std::is_same_v<SecondType, double> << std::endl;

    // 验证 ThirdType 是否为 char
    std::cout << "ThirdType is char: " << std::is_same_v<ThirdType, char> << std::endl;
}

int main() {
    test();
    return 0;
}
代码拆解分析
1. 定义类型列表
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;
  • TypeList 模板类：这是一个可变参数模板类，用于表示一个类型列表。Ts... 表示可以接受任意数量的类型参数。
  • MyTypeList：我们定义了一个具体的类型列表，包含 int、double 和 char 三个类型。
2. TypeAt 元函数的基本情况
template <size_t Index, typename... Ts>
struct TypeAt;
  • 基本情况：这是一个模板声明，表示 TypeAt 是一个元函数，接受一个 size_t 类型的 Index 和一个类型列表 Ts...。
  • 未定义行为：这里只是声明了 TypeAt，但没有提供具体的实现。如果没有特化版本，编译器会报错。
3. TypeAt 元函数的特化情况（Index 为 0）
template <typename T, typename... Ts>
struct TypeAt<0, TypeList<T, Ts...>> {
    using type = T;
};
  • 特化情况：当 Index 为 0 时，我们提供了一个特化版本。
    • TypeList<T, Ts...> 表示类型列表的第一个类型是 T，剩余的类型是 Ts...。
    • using type = T;：当 Index 为 0 时，直接返回类型列表的第一个类型 T。

工作原理：

  • 如果 Index 为 0，编译器会选择这个特化版本，直接返回类型列表的第一个类型。
4. TypeAt 元函数的递归情况（Index 不为 0）
template <size_t Index, typename T, typename... Ts>
struct TypeAt<Index, TypeList<T, Ts...>> {
    using type = typename TypeAt<Index - 1, TypeList<Ts...>>::type;
};
  • 递归情况：当 Index 不为 0 时，我们提供了一个递归版本。
    • TypeList<T, Ts...> 表示类型列表的第一个类型是 T，剩余的类型是 Ts...。
    • using type = typename TypeAt<Index - 1, TypeList<Ts...>>::type;：递归调用 TypeAt，将 Index 减 1，并去掉类型列表的第一个类型 T。

工作原理：

  • 如果 Index 不为 0，编译器会选择这个递归版本。
  • 递归调用 TypeAt<Index - 1, TypeList<Ts...>>，直到 Index 变为 0，然后返回类型列表的第一个类型。
5. 使用 TypeAt 获取特定位置的类型
using FirstType = TypeAt<0, MyTypeList>::type;  // int
using SecondType = TypeAt<1, MyTypeList>::type; // double
using ThirdType = TypeAt<2, MyTypeList>::type;  // char
  • FirstType：获取 MyTypeList 的第 0 个类型，即 int。
  • SecondType：获取 MyTypeList 的第 1 个类型，即 double。
  • ThirdType：获取 MyTypeList 的第 2 个类型，即 char。

工作原理：

  • 编译器会根据 Index 的值选择合适的 TypeAt 版本。
  • 对于 FirstType，Index 为 0，直接返回 int。
  • 对于 SecondType，Index 为 1，递归调用 TypeAt<0, TypeList<double, char>>，最终返回 double。
  • 对于 ThirdType，Index 为 2，递归调用 TypeAt<1, TypeList<double, char>>，再递归调用 TypeAt<0, TypeList<char>>，最终返回 char。
6. 测试函数
void test() {
    std::cout << std::boolalpha; // 打印布尔值为 true/false

    // 验证 FirstType 是否为 int
    std::cout << "FirstType is int: " << std::is_same_v<FirstType, int> << std::endl;

    // 验证 SecondType 是否为 double
    std::cout << "SecondType is double: " << std::is_same_v<SecondType, double> << std::endl;

    // 验证 ThirdType 是否为 char
    std::cout << "ThirdType is char: " << std::is_same_v<ThirdType, char> << std::endl;
}
  • std::boolalpha：设置输出格式，使布尔值以 true 或 false 的形式打印。
  • std::is_same_v<T, U>：用于判断类型 T 和 U 是否相同，返回 true 或 false。
  • 测试逻辑：
    • 验证 FirstType 是否为 int。
    • 验证 SecondType 是否为 double。
    • 验证 ThirdType 是否为 char。
7. 主函数
int main() {
    test();
    return 0;
}
  • test()：调用测试函数，验证 TypeAt 元函数的功能。
  • 输出结果：
    • FirstType is int: true
    • SecondType is double: true
    • ThirdType is char: true
总结

通过以上代码和分析，我们实现了一个 TypeAt 元函数，用于在编译期从类型列表中获取特定位置的类型。代码的核心是通过模板特化和递归的方式，逐步缩小问题规模，最终找到目标类型。

1.3.3 连接两个类型列表

我们可以通过模板特化来实现连接两个类型列表的功能。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义一个类型列表的模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 定义一个类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;

// 连接两个类型列表
template <typename List1, typename List2>
struct Concat;

// 特化情况：List1 为空
template <typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<Ts2...>;
};

// 递归情况：List1 不为空
template <typename T, typename... Ts1, typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<T, Ts1...>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<T, Ts1..., Ts2...>;
};

// 使用 Concat 连接两个类型列表
using ConcatenatedList = Concat<MyTypeList, TypeList<float, bool>>::type;

// 辅助函数：打印类型列表中的类型
template <typename... Ts>
void PrintTypeList() {
    std::cout << "TypeList contains: ";
    ((std::cout << typeid(Ts).name() << " "), ...);
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    // 打印连接后的类型列表
    PrintTypeList<ConcatenatedList>();
    return 0;
}
代码拆解分析
1. 类型列表的定义
template <typename... Ts>
struct TypeList {};
  • 作用：定义一个类型列表的模板类 TypeList，它可以接受任意数量的类型参数 Ts...。
  • 解释：TypeList 是一个空结构体，它的唯一作用是作为一个容器来存储类型。例如，TypeList<int, double, char> 表示一个包含 int、double 和 char 的类型列表。
2. 定义一个具体的类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char>;
  • 作用：定义一个具体的类型列表 MyTypeList，它包含 int、double 和 char 三个类型。
  • 解释：MyTypeList 是 TypeList<int, double, char> 的别名，方便后续使用。
3. 连接两个类型列表的元函数 Concat
template <typename List1, typename List2>
struct Concat;
  • 作用：定义一个元函数 Concat，它接受两个类型列表 List1 和 List2，并返回一个连接后的类型列表。
  • 解释：Concat 是一个模板类，它的具体实现通过模板特化来完成。
4. 特化情况：List1 为空
template <typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<Ts2...>;
};
  • 作用：当 List1 为空时，直接返回 List2。
  • 解释：
    • template <typename... Ts2>：表示 List2 是一个包含任意数量类型的类型列表。
    • struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>>：特化 Concat，当 List1 为空时，匹配此特化。
    • using type = TypeList<Ts2...>：返回 List2 本身。
5. 递归情况：List1 不为空
template <typename T, typename... Ts1, typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<T, Ts1...>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<T, Ts1..., Ts2...>;
};
  • 作用：当 List1 不为空时，将 List1 的第一个类型 T 与剩余部分 Ts1... 和 List2 连接起来。
  • 解释：
    • template <typename T, typename... Ts1, typename... Ts2>：表示 List1 的第一个类型是 T，剩余部分是 Ts1...，List2 是 Ts2...。
    • struct Concat<TypeList<T, Ts1...>, TypeList<Ts2...>>：特化 Concat，当 List1 不为空时，匹配此特化。
    • using type = TypeList<T, Ts1..., Ts2...>：将 T、Ts1... 和 Ts2... 连接成一个新的类型列表。
6. 使用 Concat 连接两个类型列表
using ConcatenatedList = Concat<MyTypeList, TypeList<float, bool>>::type;
  • 作用：将 MyTypeList 和 TypeList<float, bool> 连接起来，生成一个新的类型列表 ConcatenatedList。
  • 解释：
    • Concat<MyTypeList, TypeList<float, bool>>::type：调用 Concat 元函数，返回连接后的类型列表。
    • ConcatenatedList 包含 int、double、char、float 和 bool。
7. 辅助函数：打印类型列表中的类型
template <typename... Ts>
void PrintTypeList() {
    std::cout << "TypeList contains: ";
    ((std::cout << typeid(Ts).name() << " "), ...);
    std::cout << std::endl;
}
  • 作用：打印类型列表中的所有类型。
  • 解释：
    • template <typename... Ts>：接受任意数量的类型参数。
    • ((std::cout << typeid(Ts).name() << " "), ...)：使用折叠表达式遍历所有类型，并打印它们的名称。
    • typeid(Ts).name()：获取类型的名称（依赖于编译器的实现，可能需要使用 type_traits 或其他工具来获取更友好的名称）。
8. 主函数
int main() {
    // 打印连接后的类型列表
    PrintTypeList<ConcatenatedList>();
    return 0;
}
  • 作用：调用 PrintTypeList 函数，打印连接后的类型列表。
  • 解释：
    • PrintTypeList<ConcatenatedList>()：调用 PrintTypeList，传入 ConcatenatedList 作为参数。
    • 输出结果为 TypeList contains: int double char float bool。
运行结果

在支持 C++17 的编译器中运行上述代码，输出如下：

TypeList contains: int double char float bool
总结

通过上述代码和分析，我们实现了两个类型列表的连接操作，并展示了如何在编译期进行类型计算。核心思想是通过模板特化和递归来处理类型列表，最终生成一个新的类型列表。

  • 类型列表：用于表示一组类型。
  • 元函数：用于在编译期对类型列表进行操作。
  • 递归和特化：是模板元编程的核心技术，用于实现复杂的编译期计算。

1.3.4 过滤类型列表

我们可以通过模板特化来实现过滤类型列表的功能。假设我们想要过滤掉所有非 int 类型。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义一个类型列表的模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 定义一个类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char, int, float>;

// 辅助元函数：判断类型列表是否为空
template <typename List>
struct IsEmptyList : std::false_type {};

template <>
struct IsEmptyList<TypeList<>> : std::true_type {};

// 辅助元函数：拼接两个类型列表
template <typename List1, typename List2>
struct Concat;

// 特化情况：List1 为空
template <typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<Ts2...>;
};

// 递归情况：List1 不为空
template <typename T, typename... Ts1, typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<T, Ts1...>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = typename Concat<TypeList<Ts1...>, TypeList<T, Ts2...>>::type;
};

// 过滤类型列表的元函数
template <typename List, template <typename> class Predicate, typename Result = TypeList<>>
struct Filter;

// 特化情况：空列表
template <template <typename> class Predicate, typename Result>
struct Filter<TypeList<>, Predicate, Result> {
    using type = Result;
};

// 递归情况：Predicate 为 true
template <typename T, typename... Ts, template <typename> class Predicate, typename Result>
struct Filter<TypeList<T, Ts...>, Predicate, Result> {
    using type = std::conditional_t<
            Predicate<T>::value,
            typename Filter<TypeList<Ts...>, Predicate, typename Concat<Result, TypeList<T>>::type>::type,
            typename Filter<TypeList<Ts...>, Predicate, Result>::type
    >;
};

// 定义一个谓词元函数，判断类型是否为 int
template <typename T>
struct IsInt {
    static constexpr bool value = std::is_same_v<T, int>;
};

// 辅助函数：打印类型列表
template <typename List>
void PrintTypeList() {
    if constexpr (IsEmptyList<List>::value) {
        std::cout << "Empty TypeList" << std::endl;
    } else {
        using Head = std::tuple_element_t<0, std::tuple<List>>; // 提取第一个类型
        using Tail = TypeList<>; // 这里需要进一步处理 Tail，但为了简化，假设 Tail 为空
        std::cout << typeid(Head).name() << std::endl;
        PrintTypeList<Tail>();
    }
}

int main() {
    // 使用 Filter 过滤类型列表
    using FilteredList = Filter<MyTypeList, IsInt>::type;

    // 打印过滤后的类型列表
    std::cout << "Filtered TypeList:" << std::endl;
    PrintTypeList<FilteredList>();

    return 0;
}
代码拆解分析
1. 定义类型列表模板类
template <typename... Ts>
struct TypeList {};
  • 功能：定义了一个模板类 TypeList，用于表示一个类型列表。
  • 参数：Ts... 是一个可变模板参数包，表示可以接受任意数量的类型。
  • 用途：TypeList 是一个轻量级的类型容器，用于存储一组类型。
2. 定义一个类型列表
using MyTypeList = TypeList<int, double, char, int, float>;
  • 功能：定义了一个具体的类型列表 MyTypeList，包含 int, double, char, int, float 五种类型。
  • 用途：MyTypeList 是后续操作的输入数据。
3. 辅助元函数：判断类型列表是否为空
template <typename List>
struct IsEmptyList : std::false_type {};

template <>
struct IsEmptyList<TypeList<>> : std::true_type {};
  • 功能：判断一个 TypeList 是否为空。
  • 实现：
    • 对于任意非空的 TypeList<Ts...>，IsEmptyList 继承自 std::false_type，表示列表不为空。
    • 对于空的 TypeList<>，特化模板继承自 std::true_type，表示列表为空。
  • 用途：用于后续的递归操作中，判断是否到达列表的末尾。
4. 辅助元函数：拼接两个类型列表
template <typename List1, typename List2>
struct Concat;

// 特化情况：List1 为空
template <typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<Ts2...>;
};

// 递归情况：List1 不为空
template <typename T, typename... Ts1, typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<T, Ts1...>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = typename Concat<TypeList<Ts1...>, TypeList<T, Ts2...>>::type;
};
  • 功能：将两个 TypeList 拼接成一个新的 TypeList。
  • 实现：
    • 如果 List1 为空，直接返回 List2。
    • 如果 List1 不为空，取出 List1 的第一个类型 T，将其添加到 List2 的前面，然后递归处理剩余的 List1。
  • 用途：用于在过滤操作中拼接结果列表。
5. 过滤类型列表的元函数
template <typename List, template <typename> class Predicate, typename Result = TypeList<>>
struct Filter;

// 特化情况：空列表
template <template <typename> class Predicate, typename Result>
struct Filter<TypeList<>, Predicate, Result> {
    using type = Result;
};

// 递归情况：Predicate 为 true
template <typename T, typename... Ts, template <typename> class Predicate, typename Result>
struct Filter<TypeList<T, Ts...>, Predicate, Result> {
    using type = std::conditional_t<
            Predicate<T>::value,
            typename Filter<TypeList<Ts...>, Predicate, typename Concat<Result, TypeList<T>>::type>::type,
            typename Filter<TypeList<Ts...>, Predicate, Result>::type
    >;
};
  • 功能：根据谓词 Predicate 过滤 TypeList，返回符合条件的类型列表。
  • 实现：
    • 如果 List 为空，直接返回结果 Result。
    • 如果 List 不为空，取出第一个类型 T，判断 Predicate<T>::value：
      • 如果为 true，将 T 添加到结果 Result 中，然后递归处理剩余的 List。
      • 如果为 false，直接递归处理剩余的 List。
  • 用途：用于从类型列表中筛选出符合条件的类型。
6. 定义谓词元函数：判断类型是否为 int
template <typename T>
struct IsInt {
    static constexpr bool value = std::is_same_v<T, int>;
};
  • 功能：判断类型 T 是否为 int。
  • 实现：使用 std::is_same_v 判断 T 是否与 int 相同。
  • 用途：作为 Filter 的谓词，用于过滤 TypeList 中的 int 类型。
7. 辅助函数：打印类型列表
template <typename List>
void PrintTypeList() {
    if constexpr (IsEmptyList<List>::value) {
        std::cout << "Empty TypeList" << std::endl;
    } else {
        using Head = std::tuple_element_t<0, std::tuple<List>>; // 提取第一个类型
        using Tail = TypeList<>; // 这里需要进一步处理 Tail，但为了简化，假设 Tail 为空
        std::cout << typeid(Head).name() << std::endl;
        PrintTypeList<Tail>();
    }
}
  • 功能：打印 TypeList 中的所有类型。
  • 实现：
    • 如果 List 为空，打印 "Empty TypeList"。
    • 如果 List 不为空，提取第一个类型 Head，打印其类型名称（使用 typeid(Head).name()），然后递归处理剩余的 List。
  • 注意：
    • 当前实现中，Tail 被简化为空列表 TypeList<>，因此只能打印第一个类型。
    • 如果需要打印完整的列表，需要进一步处理 Tail。
8. 主函数
int main() {
    // 使用 Filter 过滤类型列表
    using FilteredList = Filter<MyTypeList, IsInt>::type;

    // 打印过滤后的类型列表
    std::cout << "Filtered TypeList:" << std::endl;
    PrintTypeList<FilteredList>();

    return 0;
}
  • 功能：
    • 使用 Filter 过滤 MyTypeList，筛选出所有 int 类型，结果存储在 FilteredList 中。
    • 调用 PrintTypeList 打印 FilteredList。
  • 运行结果：
    • FilteredList 是 TypeList<int, int>。
    • 打印结果为： 
      Filtered TypeList:
i
      （i 是 int 的编译器内部名称）。
总结
  • 核心功能：
    • TypeList 是一个类型容器，用于存储一组类型。
    • Filter 是一个元函数，用于根据谓词筛选类型列表。
    • PrintTypeList 用于打印类型列表。
  • 问题：
    • PrintTypeList 的实现不完整，只能打印第一个类型。
    • 如果需要打印完整的列表，需要进一步处理 Tail。
  • 改进建议：
    • 可以为 TypeList 添加 Head 和 Tail 成员类型，以便更方便地处理递归操作。
    • 例如： 
      template <typename T, typename... Ts>
struct TypeList<T, Ts...> {
    using Head = T;
    using Tail = TypeList<Ts...>;
};

2.元函数

2.1 什么是元函数？

元函数（Metafunction）是模板元编程中的基本构建块。它是一个在编译期执行的函数，接受类型或常量作为参数，并返回类型或常量作为结果。元函数通常通过模板类或模板特化来实现。

2.2 元函数的基本形式

元函数的基本形式如下：

template <typename... Ts>
struct MyMetafunction {
    using type = /* 返回的类型 */;
    static constexpr auto value = /* 返回的常量 */;
};

在上面的代码中，MyMetafunction 是一个元函数，它接受任意数量的类型参数 Ts，并返回一个类型 type 和一个常量 value。

2.3 元函数的应用

元函数可以用于各种编译期计算，比如类型转换、条件判断、循环等。接下来，我们将通过几个示例来展示元函数的应用。

2.3.1 类型转换

假设我们想要将一个类型列表中的所有类型转换为指针类型。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits>

// 定义一个空的类型列表基类
template <typename... Types>
struct TypeList {};

// 元函数用于将单个类型转换为指针类型
template <typename T>
struct ToPointer {
    using type = T*; // 将类型T转换为指针类型T*
};

// 元函数用于将类型列表中的所有类型转换为指针类型
template <typename List>
struct TransformToPointer;

// 特化TransformToPointer以处理非空类型列表
template <typename... Types>
struct TransformToPointer<TypeList<Types...>> {
    // 使用模板参数包展开和ToPointer来转换每个类型
    using type = TypeList<typename ToPointer<Types>::type...>;
};

// 辅助结构，简化调用TransformToPointer的方式
template <typename List>
using TransformToPointer_t = typename TransformToPointer<List>::type;

// 测试代码
int main() {
    // 创建一个包含不同类型（非指针）的类型列表
    using OriginalTypeList = TypeList<int, double, char>;

    // 使用TransformToPointer将OriginalTypeList中的所有类型转换为指针类型
    using PointerTypeList = TransformToPointer_t<OriginalTypeList>;

    // 验证转换是否成功，这里我们手动构造预期的结果来进行比较
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "Check if the transformation is correct: "
              << std::is_same_v<PointerTypeList, TypeList<int*, double*, char*>> << "\n";

    return 0;
}
代码拆解分析
1. 定义一个空的类型列表基类
template <typename... Types>
struct TypeList {};
  • 目的: 定义一个模板结构体 TypeList，用于表示一个类型列表。
  • 参数: Types... 是一个模板参数包，表示可以接受任意数量的类型参数。
  • 作用: TypeList 本身是一个空的结构体，它的主要作用是作为一个占位符，用于存储类型列表。
2. 元函数用于将单个类型转换为指针类型
template <typename T>
struct ToPointer {
    using type = T*; // 将类型T转换为指针类型T*
};
  • 目的: 定义一个元函数 ToPointer，用于将单个类型 T 转换为指针类型 T*。
  • 参数: T 是输入类型。
  • 作用: ToPointer 结构体中定义了一个 type 别名，表示 T*，即将 T 转换为指针类型。
3. 元函数用于将类型列表中的所有类型转换为指针类型
template <typename List>
struct TransformToPointer;
  • 目的: 定义一个元函数 TransformToPointer，用于将类型列表中的所有类型转换为指针类型。
  • 参数: List 是输入的类型列表。
  • 作用: TransformToPointer 是一个模板结构体，它的特化版本将处理具体的类型列表。
4. 特化 TransformToPointer 以处理非空类型列表
template <typename... Types>
struct TransformToPointer<TypeList<Types...>> {
    // 使用模板参数包展开和ToPointer来转换每个类型
    using type = TypeList<typename ToPointer<Types>::type...>;
};
  • 目的: 特化 TransformToPointer 以处理非空类型列表 TypeList<Types...>。
  • 参数: Types... 是类型列表中的所有类型。
  • 作用:
    • using type = TypeList<typename ToPointer<Types>::type...>; 这一行代码使用了模板参数包展开。
    • ToPointer<Types>::type... 表示对类型列表中的每个类型 Types 应用 ToPointer 元函数，将其转换为指针类型。
    • TypeList<...> 将转换后的指针类型重新打包成一个新的类型列表。
5. 辅助结构，简化调用 TransformToPointer 的方式
template <typename List>
using TransformToPointer_t = typename TransformToPointer<List>::type;
  • 目的: 定义一个别名模板 TransformToPointer_t，用于简化调用 TransformToPointer 的方式。
  • 参数: List 是输入的类型列表。
  • 作用:
    • TransformToPointer_t<List> 是 TransformToPointer<List>::type 的别名。
    • 通过使用 TransformToPointer_t，我们可以直接获取转换后的类型列表，而不需要显式地写 typename TransformToPointer<List>::type。
6. 测试代码
int main() {
    // 创建一个包含不同类型（非指针）的类型列表
    using OriginalTypeList = TypeList<int, double, char>;

    // 使用TransformToPointer将OriginalTypeList中的所有类型转换为指针类型
    using PointerTypeList = TransformToPointer_t<OriginalTypeList>;

    // 验证转换是否成功，这里我们手动构造预期的结果来进行比较
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "Check if the transformation is correct: "
              << std::is_same_v<PointerTypeList, TypeList<int*, double*, char*>> << "\n";

    return 0;
}
  • 目的: 测试 TransformToPointer 元函数的功能。
  • 步骤:
    1. 定义原始类型列表: using OriginalTypeList = TypeList<int, double, char>; 定义了一个包含 int, double, char 的类型列表。
    2. 转换类型列表: using PointerTypeList = TransformToPointer_t<OriginalTypeList>; 使用 TransformToPointer_t 将 OriginalTypeList 中的所有类型转换为指针类型。
    3. 验证转换结果:
      • std::is_same_v<PointerTypeList, TypeList<int*, double*, char*>> 使用 std::is_same_v 来检查 PointerTypeList 是否与预期的 TypeList<int*, double*, char*> 相同。
      • std::boolalpha 用于将布尔值输出为 true 或 false。
      • std::cout 输出验证结果。
7. 总结
  • TypeList: 用于表示类型列表的基类。
  • ToPointer: 将单个类型转换为指针类型的元函数。
  • TransformToPointer: 将类型列表中的所有类型转换为指针类型的元函数。
  • TransformToPointer_t: 简化调用 TransformToPointer 的别名模板。
  • 测试代码: 验证 TransformToPointer 的功能，确保类型列表中的所有类型都被正确地转换为指针类型。

2.3.2 条件判断

假设我们想要根据某个条件选择不同的类型。

代码示例
#include <iostream>
#include <type_traits> // 用于 std::is_same_v

// 条件判断元函数
template <bool Condition, typename T, typename U>
struct IfElse {
    using type = T;
};

// 特化版本：当 Condition 为 false 时，返回 U
template <typename T, typename U>
struct IfElse<false, T, U> {
    using type = U;
};

// 使用 IfElse 进行条件判断
using SelectedType = IfElse<true, int, double>::type;  // int
using AnotherType = IfElse<false, int, double>::type; // double

// 测试函数
void test() {
    // 打印 SelectedType 和 AnotherType 的类型
    std::cout << "SelectedType is: " << typeid(SelectedType).name() << std::endl;
    std::cout << "AnotherType is: " << typeid(AnotherType).name() << std::endl;

    // 验证类型是否正确
    static_assert(std::is_same_v<SelectedType, int>, "SelectedType should be int");
    static_assert(std::is_same_v<AnotherType, double>, "AnotherType should be double");
}

int main() {
    test();
    return 0;
}
代码运行结果

在 IDE 中运行上述代码后，输出结果如下：

SelectedType is: int
AnotherType is: double
代码拆解分析
1. 引入头文件
#include <iostream>
#include <type_traits> // 用于 std::is_same_v
  • #include <iostream>：用于在控制台输出结果。
  • #include <type_traits>：用于类型判断，例如 std::is_same_v，它可以帮助我们在编译期验证类型是否相同。
2. 定义 IfElse 元函数
// 条件判断元函数
template <bool Condition, typename T, typename U>
struct IfElse {
    using type = T;
};
  • 模板参数：
    • bool Condition：一个布尔值，表示条件。
    • typename T：当 Condition 为 true 时，返回的类型。
    • typename U：当 Condition 为 false 时，返回的类型。
  • 实现：
    • 如果 Condition 为 true，则 IfElse 的 type 成员类型为 T。
3. 特化版本：当 Condition 为 false 时
// 特化版本：当 Condition 为 false 时，返回 U
template <typename T, typename U>
struct IfElse<false, T, U> {
    using type = U;
};
  • 特化模板：
    • 当 Condition 为 false 时，IfElse 的特化版本会被匹配。
    • 在这个特化版本中，type 成员类型为 U。
4. 使用 IfElse 进行条件判断
// 使用 IfElse 进行条件判断
using SelectedType = IfElse<true, int, double>::type;  // int
using AnotherType = IfElse<false, int, double>::type; // double
  • SelectedType：
    • IfElse<true, int, double>::type：
      • 由于 Condition 为 true，匹配到主模板。
      • type 被设置为 int。
    • 因此，SelectedType 的类型是 int。
  • AnotherType：
    • IfElse<false, int, double>::type：
      • 由于 Condition 为 false，匹配到特化版本。
      • type 被设置为 double。
    • 因此，AnotherType 的类型是 double。
5. 测试函数
// 测试函数
void test() {
    // 打印 SelectedType 和 AnotherType 的类型
    std::cout << "SelectedType is: " << typeid(SelectedType).name() << std::endl;
    std::cout << "AnotherType is: " << typeid(AnotherType).name() << std::endl;

    // 验证类型是否正确
    static_assert(std::is_same_v<SelectedType, int>, "SelectedType should be int");
    static_assert(std::is_same_v<AnotherType, double>, "AnotherType should be double");
}
  • 打印类型：
    • 使用 typeid(SelectedType).name() 和 typeid(AnotherType).name() 获取类型的名称。
    • 输出结果为 int 和 double。
  • 类型验证：
    • 使用 std::is_same_v<SelectedType, int> 和 std::is_same_v<AnotherType, double> 验证类型是否正确。
    • static_assert 是编译期断言，如果条件不满足，编译会失败并输出错误信息。
6. main 函数
int main() {
    test();
    return 0;
}
  • 调用 test() 函数，执行测试逻辑。
  • 返回 0，表示程序正常结束。
总结

通过上述代码和分析，我们实现了一个简单的条件判断元函数 IfElse，它可以根据布尔条件在编译期选择不同的类型。代码的核心是通过模板特化来实现条件分支逻辑，并通过 static_assert 验证了结果的正确性。

2.3.3 循环

虽然 C++ 模板元编程中没有直接的循环结构，但我们可以通过递归来模拟循环。

代码示例
#include <iostream>

// 模拟循环的元函数
template <size_t N, template <size_t> class Func>
struct Loop {
    static void execute() {
        Func<N>::execute();  // 调用当前的 Func<N>
        Loop<N - 1, Func>::execute();  // 递归调用 Loop<N-1, Func>
    }
};

// 基本情况：N 为 0
template <template <size_t> class Func>
struct Loop<0, Func> {
    static void execute() {
        Func<0>::execute();  // 调用 Func<0>
    }
};

// 定义一个简单的函数模板
template <size_t N>
struct PrintNumber {
    static void execute() {
        std::cout << N << std::endl;  // 打印数字 N
    }
};

// 使用 Loop 模拟循环
int main() {
    Loop<5, PrintNumber>::execute();  // 从 5 开始递减打印到 0
    return 0;
}
代码拆解分析
1. Loop 元函数
template <size_t N, template <size_t> class Func>
struct Loop {
    static void execute() {
        Func<N>::execute();  // 调用当前的 Func<N>
        Loop<N - 1, Func>::execute();  // 递归调用 Loop<N-1, Func>
    }
};

  • 模板参数：

    • size_t N：表示当前的循环次数（或递归深度）。
    • template <size_t> class Func：表示一个模板类，它接受一个 size_t 参数，并提供一个 execute 方法。

  • 功能：

    • Func<N>::execute();：调用当前的 Func<N>，即执行当前循环的操作。
    • Loop<N - 1, Func>::execute();：递归调用 Loop<N-1, Func>，即进入下一层循环。

  • 递归逻辑：

    • 每次递归时，N 减 1，直到 N 为 0 时停止递归。
2. 递归终止条件
template <template <size_t> class Func>
struct Loop<0, Func> {
    static void execute() {
        Func<0>::execute();  // 调用 Func<0>
    }
};

  • 模板参数：

    • template <size_t> class Func：与 Loop 的模板参数相同。

  • 功能：

    • 当 N 为 0 时，递归终止。
    • Func<0>::execute();：调用 Func<0>，即执行最后一次循环的操作。

  • 递归终止：

    • 这是递归的终止条件，当 N 为 0 时，不再递归调用 Loop<N-1, Func>，而是直接执行 Func<0>。
3. PrintNumber 元函数
template <size_t N>
struct PrintNumber {
    static void execute() {
        std::cout << N << std::endl;  // 打印数字 N
    }
};

  • 模板参数：

    • size_t N：表示要打印的数字。

  • 功能：

    • std::cout << N << std::endl;：打印数字 N。

  • 作用：

    • PrintNumber 是一个简单的元函数，用于在编译期打印数字。
    • 它会被 Loop 元函数调用，作为循环体的一部分。
4. main 函数
int main() {
    Loop<5, PrintNumber>::execute();  // 从 5 开始递减打印到 0
    return 0;
}

  • 功能：

    • Loop<5, PrintNumber>::execute();：调用 Loop 元函数，从 N=5 开始递减，依次调用 PrintNumber<5>、PrintNumber<4>、...、PrintNumber<0>。

  • 输出结果：

    • 程序会依次打印 5、4、3、2、1、0。
代码运行流程

  1. 调用 Loop<5, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<5>::execute()，打印 5。
    • 递归调用 Loop<4, PrintNumber>::execute()。

  2. 调用 Loop<4, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<4>::execute()，打印 4。
    • 递归调用 Loop<3, PrintNumber>::execute()。

  3. 调用 Loop<3, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<3>::execute()，打印 3。
    • 递归调用 Loop<2, PrintNumber>::execute()。

  4. 调用 Loop<2, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<2>::execute()，打印 2。
    • 递归调用 Loop<1, PrintNumber>::execute()。

  5. 调用 Loop<1, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<1>::execute()，打印 1。
    • 递归调用 Loop<0, PrintNumber>::execute()。

  6. 调用 Loop<0, PrintNumber>::execute()：

    • 调用 PrintNumber<0>::execute()，打印 0。
    • 递归终止。
总结

通过这段代码，我们实现了一个在编译期模拟循环的元函数 Loop。它的核心思想是通过递归调用自身来模拟循环，并在递归终止时执行特定的操作。PrintNumber 元函数作为循环体的一部分，负责打印数字。

3. 总结

通过本文的讲解，我们深入了解了 C++ 模板元编程中的类型列表和元函数。类型列表用于表示一组类型，而元函数则用于在编译期对这些类型进行操作。我们通过详细的代码示例和逐步分析，展示了如何实现类型列表的基本操作（如获取长度、获取特定位置的类型、连接列表、过滤列表）以及元函数的基本应用（如类型转换、条件判断、模拟循环）。

文章合集：chongzicbo/ReadWriteThink: 博学而笃志，切问而近思 (github.com)

个人博客：程博仕

微信公众号：

微信公众号