C++模板元編程

　　原理：模板元程式由編譯器在編譯期解釋執行，利用模板特化機制實現編譯期條件選擇結構，利用遞歸模板實現編譯期迴圈結構。模板元編程（metaprogramming）意思是，編程系統將會執行我們所寫的代碼，來生成新的代碼，而這些新代碼才真正實現了我們所期望的功能。元編程最大的特點在於：某些用戶自定義的計算可以在編譯期進行，二者通常能夠在性能和介面簡單性方面帶來好處。

　　1. 利用模板特化機制實現編譯期條件選擇結構

　　首先瞭解一下類模板的特化。類模板特化是指將模板參數指定為某一種類型，你必須在起始處聲明一個template<>，接下來聲明用來特化模板的類型。這個類型被用作模板實參，且必須在類名後面直接指定：

template<typename T>
class StackSpecialize
{
    T m_member;
};

template<>
class StackSpecialize<std::string>
{
    std::string m_member;
};

　　另外一個比較重要的概念是偏特化（Partial Specialization），意思是如果class template擁有一個以上的template參數，可以針對其中某個（或數個，但非全部）template參數進行特化工作。（另一種解釋是針對任何template參數更進一步的條件限制所設計出來的一個特化版本）。

　　回到模板元編程，如下求斐波那契數列的元編程代碼：

#include "stdafx.h"
#include <iostream>

using namespace std;

// 主模板
template<int N>
struct Fib
{
    enum {Result = Fib<N-1>::Result + Fib<N-2>::Result};
};
// 特化模板必須在主模板之後
// 完全特化版，處理N=1的情況
template<>
struct Fib<1>
{
    enum {Result = 1};
};

// 完全特化版，處理N=0的情況
template<>
struct Fib<0>
{
    enum {Result = 0};
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    int i = Fib<500>::Result;
    std::cout<<i<<std::endl;

    return 0;
}

　　上述程式編譯時，會進行遞歸實例化，為了計算Fib<500>的enum Result的值，會實例化Fib<499>和Fib<498>，如此遞歸下去。程式中給出了當N=1和N=0的情況，程式實例化到Fib<1>和Fib<0>時，完全特化版被實例化，遞歸結束。模板實例化通常要消耗巨大的編譯器資源，C++標準建議最多只進行17層遞歸實例化，上述程式VS下可以正常編譯，但VS最多支持500次，501次即報錯：Error 1 error C1202: recursive type or function dependency context too complex。

　　上述數列在計算時使用的是模板的特化機制實現條件選擇結構，還有比如在求最大值的函數中，使用（表達式A？表達式B：表達式C）來實現分支選擇，像這種？：符號，編譯器在實例化時，不僅實例化表達式B分支，表達式C分支也會實例化。這樣造成的一個問題是遞歸次數的增加，但VS和gcc遞歸的次數是有限的，所以必須限制實例化數量，使其不至過於龐大。typedef就是一個解決方法，為一個類模板定義一個typedef並不會導致C++編譯器實例化該實例的實體。

// 基礎模板：根據第1個實參，來確定是使用第2個實參，還是第3個實參
template<bool C, typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse;

// 局部特化
template<typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse<true, Ta, Tb> {
public:
    typedef Ta ResultT;
};

// 局部特化
template<typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse<false, Ta, Tb>
{
public:
    typedef Tb ResultT;
};

　　2. 利用遞歸模板實現編譯期迴圈結構

　　以兩個向量的點乘為例，比較直觀的解決的解決方法當然是維度為迴圈次數，依次相加相乘。使用元編程編寫基本模板後，再編寫作為結束條件的局部特化版本，就可以使用元編程實現迴圈結構了。

　　元編程的意義不只是編譯期的數值計算，因為元編程的輸入的數據必須是已知的，如果程式運行時輸入的數據動態變化，那麼元編程就無能為力了。問題在於，如果不是純數值計算，輸入的數據都是未知的。元編程還可以用來進行代碼生成，編譯期斷言，類型計算等。Qt就用到代碼生成，它將源代碼交給標準編譯器之前，需要事先將使用 moc （Meta-Object Compiler，“元對象編譯器”）分析 C++ 源文件。如果它發現在一個頭文件中包含了巨集 Q_OBJECT，則會生成另外一個 C++ 源文件。這個源文件中包含了 Q_OBJECT 巨集的實現代碼。這個新的文件名字將會是原文件名前面加上 moc_ 構成。這個新的文件同樣將進入編譯系統，最終被鏈接到二進位代碼中去。

　　參考資料：http://wenku.baidu.com/view/6b7522d3f111f18582d05ab5.html?from=search

　　http://devbean.blog.51cto.com/448512/355100/