2.1 编程，元编程，模板元编程

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小牛编辑

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2023-12-01

技术的学习是一个登山的过程。第一章是最为平坦的山脚道路。而从这一章开始，则是正式的爬坡。无论是我写作还是你阅读，都需要付出比第一章更多的代价。那么问题就是，付出更多的精力学习模板是否值得？

这个问题很功利，但是一针见血。因为技术的根本目的在于解决需求。那C++的模板能做什么？

一个高（树）大（新）上（风）的回答是，C++里面的模板，犹如C中的宏、C#和Java中的自省（restropection）和反射（reflection），是一个改变语言内涵，拓展语言外延的存在。

程序最根本的目的是什么？复现真实世界或人所构想的规律，减少重复工作的成本，或通过提升规模完成人所不能及之事。但是世间之事万千，有限的程序如何重现复杂的世界呢？

答案是“抽象”。论及具体手段，无外乎“求同”与“存异”：概括一般规律，处理特殊情况。这也是软件工程所追求的目标。一般规律概括的越好，我们所付出的劳动也就越少。

同样的，作为脑力劳动的产品，程序本身也是有规律性的。《Modern C++ Design》中的前言就抛出了一连串有代表性的问题：

如何撰写更高级的C++程式？
如何应付即使在很干净的设计中仍然像雪崩一样的不相干细节？
如何构建可复用组件，使得每次在不同程式中应用组件时无需大动干戈？

我们以数据结构举例。在程序里，你需要一些堆栈。这个堆栈的元素可能是整数、浮点或者别的什么类型。一份整型堆栈的代码可能是：

class StackInt
{
public:
  void push(int v);
  int pop();
  int Find(int x)
  {
    for(int i = 0; i < size; ++i)
    {
      if(data[i] == x) { return i; }
    }
  }
  // ... 其他代码 ...
};

如果你要支持浮点了，那么你只能将代码再次拷贝出来，并作如下修改：

class StackFloat
{
public:
  void push(float v);
  float pop();
  int Find(float x)
  {
    for(int i = 0; i < size; ++i)
    {
      if(data[i] == x) { return i; }
    }
  }
  // ... 其他代码 ...
};

当然也许你觉得这样做能充分体会代码行数增长的成就感。但是有一天，你突然发现：呀，Find 函数实现有问题了。怎么办？这个时候也许你只有两份这样的代码，那好说，一一去修正就好了。如果你有十个呢？二十个？五十个？

时间一长，你就厌倦了这样的生活。你觉得每个堆栈都差不多，但是又有点不一样。为了这一点点不一样，你付出了太多的时间。吃饭的时间，泡妞的时间，睡觉的时间，看岛国小电影顺便练习小臂力量的时间。

于是便诞生了新的技术，来消解我们的烦恼。

这个技术的名字，并不叫“模板”，而是叫“元编程”。

元（meta）无论在中文还是英文里，都是个很“抽象（abstract）”的词。因为它的本意就是“抽象”。元编程，也可以说就是“编程的抽象”。用更好理解的说法，元编程意味着你撰写一段程序A，程序A会运行后生成另外一个程序B，程序B才是真正实现功能的程序。那么这个时候程序A可以称作程序B的元程序，撰写程序A的过程，就称之为“元编程”。

回到我们的堆栈的例子。真正执行功能的，其实仍然是浮点的堆栈、整数的堆栈、各种你所需要的类型的堆栈。但是因为这些堆栈之间太相似了，仅仅有着些微的不同，我们为什么不能有一个将相似之处囊括起来，同时又能分别体现出不同之处的程序呢？很多语言都提供了这样的机会。C中的宏，C++中的模板，Python中的Duck Typing，广义上将都能够实现我们的思路。

我们的目的，是找出程序之间的相似性，进行“元编程”。而在C++中，元编程的手段，可以是宏，也可以是模板。

宏的例子姑且不论，我们来看一看模板：

template <typename T>
class Stack
{
public:
  void push(T v);
  T pop();
  int Find(T x)
  {
    for(int i = 0; i < size; ++i)
    {
      if(data[i] == x) { return i; }
    }
  }
  // ... 其他代码 ...
};

typedef Stack<int>   StackInt;
typedef Stack<float> StackFloat;

通过模板，我们可以将形形色色的堆栈代码分为两个部分，一个部分是不变的接口，以及近乎相同的实现；另外一部分是元素的类型，它们是需要变化的。因此同函数类似，需要变化的部分，由模板参数来反映；不变的部分，则是模板内的代码。可以看到，使用模板的代码，要比不使用模板的代码简洁许多。

如果元编程中所有变化的量（或者说元编程的参数），都是类型，那么这样的编程，我们有个特定的称呼，叫“泛型”。

但是你会问，模板的发明，仅仅是为了做和宏几乎一样的替换工作吗？可以说是，也可以说不是。一方面，很多时候模板就是为了替换类型，这个时候作用上其实和宏没什么区别。只是宏是基于文本的替换，被替换的文本本身没有任何语义。只有替换完成，编译器才能进行接下来的处理。而模板会在分析模板时以及实例化模板时时候都会进行检查，而且源代码中也能与调试符号一一对应，所以无论是编译时还是运行时，排错都相对简单。

但是模板和宏也有很大的不同，否则此文也就不能成立了。模板最大的不同在于它是“可以运算”的。我们来举一个例子，不过可能有点牵强。考虑我们要写一个向量逐分量乘法。只不过这个向量，它非常的大。所以为了保证速度，我们需要使用SIMD指令进行加速。假设我们有以下指令可以使用：

Int8,16: N/A
Int32  : VInt32Mul(int32x4, int32x4)
Int64  : VInt64Mul(int64x4, int64x4)
Float  : VInt64Mul(floatx2, floatx2)

所以对于Int8和Int16，我们需要提升到Int32，而Int32和Int64，各自使用自己的指令。所以我们需要实现下的逻辑：

for(v4a, v4b : vectorsA, vectorsB)
{
  if type is Int8, Int16
    VInt32Mul( ConvertToInt32(v4a), ConvertToInt32(v4b) )
  elif type is Int32
    VInt32Mul( v4a, v4b )
  elif type is Float
    ...
}

这里的问题就在于，如何根据 type 分别提供我们需要的实现？这里有两个难点。首先， if(type == xxx) {} 是不存在于C++中的。第二，即便存在根据 type 的分配方法，我们也不希望它在运行时branch，这样会变得很慢。我们希望它能按照类型直接就把代码编译好，就跟直接写的一样。

嗯，聪明你果然想到了，重载也可以解决这个问题。

GenericMul(int8x4,  int8x4);
GenericMul(int16x4, int16x4);
GenericMul(int32x4, int32x4);
GenericMul(int64x4, int64x4);
// 其它 Generic Mul ...

for(v4a, v4b : vectorsA, vectorsB)
{
  GenericMul(v4a, v4b);
}

这样不就可以了吗？

唔，你赢了，是这样没错。但是问题是，我这个平台是你可没见过，它叫 Deep Thought，特别缺心眼儿，不光有 int8，还有更奇怪的 int9, int11，以及可以代表世间万物的 int42。你总不能为之提供所有的重载吧？这简直就像你枚举了所有程序的输入，并为之提供了对应的输出一样。

好吧，我承认这个例子还是太牵强了。不过相信我，在你阅读完第二章和第三章之后，你会将这些特性自如地运用到你的程序之中。你的程序将会变成体现模板“可运算”威力的最好例子。