从引入 template 关键字开始，C++里就出现了泛型编程，而又泛型编程衍生出的模板元编程（template meta_programming，简称“元编程”）则是众多编程范式中最复杂、最强大和最具有权威的一种。所谓“元编程”——metaprogramming，有着完全不同于普通程序的许多特点，是一种全新的编程体验。下面将介绍模板元编程的一些基础概念，它们是现代C++和boost程序库组件的基础。

1. 概述

元编程（meta-programming）也被称为“超程序”，“超编程”或“产生式编程”，这样说法一定程度上反映了其本质——它是一种位于普通程序之上、超越普通程序的程序，可以操纵、产生程序的程序。模板元编程本质上是泛型编程的一个子集，从广义上来说，所有使用template 的泛型代码都可以称作元程序——因为泛型编程代码并不是真正可编译执行的代码，它们只是定义了代码的产生规则，是用来生成代码的“模板”。然而模板元编程又不完全等同于泛型编程，它是一种“函数式编程”，是图灵完备的，可以“计算”任何东西。
模板元编程的允许是在编译期，它把编译器变成了元程序的解释器。

2. 语法元素

模板元编程产生的元程序是在编译期执行的程序，操作对象也不是普通的变量，因此不能使用运行时的C++ 关键字（if、else、for），可以的语法元素相当有限，最常用的包括：

• enum、static 用来定义编译期的变量
• typedef、using，最重要的元编程关键字，用于定义元数据
• template，模板元编程的“起点”，主要用于定义元函数
• “::”，域运算符，用于解析类型作用域获取计算结果（元数据）

3. 元数据

元编程可操作的数据就称为“元数据”（meta date），也就是C++ 编译器在编译期可操作的数据，它是模板元编程的基础。元数据都是不可变的，不能够就地修改，最常见的元数据是整数和C++ 类型（type）。这些元数据不是运行时的普通变量，而是如 int、double、class（非模板类）这样的抽象数据类型。要是对元数据再细分归类，则它又可分为：

• 整数元数据
• 值型元数据（int、double等POD值类型）
• 函数元数据（函数类型）
• 类元数据（class、struct等用户自定义类型）

对于下面所提到的‘元数据“，特征非整数类型的元数据。
使用tyoedef 关键字可以任意定义（声明）元数据，很像运行时的变量定义，如：

typedef int mtes_data1;   //元数据meta_data1, 值为 int
typedef std::vector<float> meta_data2; //元数据meta_data2,值为vector<float>

使用using 也可以达到同样的效果
using meta_data1 = int;
using meta_data2 = std:;vector<float>;

4. 元函数

元函数（meta function）是模板元编程中用于操作处理元数据的”构件“，可以在编译期被”调用“，因为其功能和形式类似运行时的函数而得名，是元编程里的核心概念。它实际上是一个类或者模板类，通常形式为：

template<typename arg1, typename arg2, ...>  //元函数参数列表
struct meta_function  //元函数名
{
	typedef sone-define type;  //元函数返回元数据
	//using type = some-define; 

	static int const val = some-int;  //元函数返回的整数
};//结束

编写元函数就像是编写一个普通的运行是函数，但形式上却是一个模板类：

• 函数参数列表的园括号”（）“ 变成了模板列表的尖括号”<>“
• 函数的形参变成了模板参数（即元数据），并且要使用关键字 typedef 修饰
• 因为不能使用运行时关键字，所以元函数不能像其他普通函数那样使用return 返回计算结果，而是需要在内部使用typedef / using 定义一个名为 type 的类型（元数据）或者名为val 的值作为返回
• 最后以分号结束，因为它本质上是一个类

元函数也可以没有返回值（即不定义内部类型type），也可以有重载（模板特例/偏特化），也可以有缺省参数，也可以分为无参、单参、多参、可变参等类别。但元函数没有普通函数参数传值、传引用的区别，也没有函数指针的概念。如果有必要，元函数可以使用 typedef / using 关键字 “返回” 任意多个返回值，并且这些没有顺序关系，能够用 ”::“ 来任意获取。为表述方便，下面将只返回 ::type 的元函数称为标准元函数，而返回多个元数据的元函数称为非标准元函数。
下面给一段值元函数的代码：

template<int N, int M>  //两个元数据
struct meta_func
{
	static const int val = N + M; //编译期计算整数之和
};

cout << meta_func<10, 10>::val << endl; //计算结果 20

这里需要主要的是meta_func 的执行过程，它的计算在编译期的时候就已经完成了（即模板实例化），meta_func::val 实际上是一个编译期常量，程序运行时不会有任何计算动作而是直接使用结果。如果这是一个大型的元函数，那么在编译期节约的计算量就会相当可观，可以显著提高程序运行的效率。
由于元函数的计算发生在编译期，所以下列代码不能成立：（不能使用运行时的变量）

下面示范了另一个元函数，它返回元函数参数列表中的第一个元数据：

template<typename T1, typename T2>  //两个形参
struct select1st
{
	typedef T1 type;  //返回T1，等价于using type = T1
};

5. 元函数转发

元函数转发是模板元编程中一个经常用到的惯用法，相当于运行时的函数转发调用，但在模板元编程中则要用 public 继承实现，模板参数传递给父类完成元函数的 ”调用“，这样的子类会自动获得父类的::type 定义，同时也完成了元函数的返回。例如，下面代码把元函数数据调换位置后，转发给之前定义的元函数 select1st ，相当于select2nd 的功能：

template<typename T1, typename T2>
struct forword: select1st:  //元函数转发，默认是public继承
	select1st<T2, T1>  //参数位置变动
{};


template<typename T1, typename T2>
struct forward  //不用转发
{
	typedef typename select1st<T2, T1>::type type; //调用元函数计算
};

易知，元函数转发因为使用了类继承所以更加简洁

6. 工具宏

模板元编程是一种全新的C++ 编程范式，但仍然使用原有的语法，通篇的 typedef / using 、 template 关键字使元程序不易理解，所有完美可以定义一些工具宏，均以“mp_”开头（或者用增加习惯的方法定义），这样能够便于我们理解。

#define mp_arglist template //元函数参数列表
#define mp_arg    typename  //元函数参数声明
#define mp_function struct //元函数定义
#define mp_data  typedef //元数据定义

#define mp_return(T) mp_data T type  //元函数返回
//using type = T
#define mp_exec(Func)  Func::type   //获取元函数返回结果
#define eval(Func)   Func::value   //获取元函数返回值

这些分别把 template 、typename、struct 和 typedef 这四个模板元编程中最常用的关键字进行了重命名。

• mp_arglist 表示元函数的参数列表开始
• mp_arg 表示元函数的参数
• mp_function 表示定义一个元函数
• mp_data 表示定义一个元数据
• mp_return / mp_eval / mp_exec 定义了元编程中约定返回值用法，较原写法更清楚

mp_data int meta_data1;   //元数据meta_data1，值为int

mp_arglist<mp_arg T1, mp_arg T2>    //元函数的参数是T1、T2
mp_function select1st  //元函数select1st
{
	mp_return(T1);  //返回T1  -> type
}

很明显，使用工具宏使元程序看起来更加清楚，易于区分。但是由于宏预处理机制自身的“缺陷”，后三个工具宏的作用有限，它们只能处理简单的参数，如果带有 “，”，那么模板类就会失效，但Boost 库里面的 BOOST_IDENTITY_TYPE 来解决。

7. 应用示例

下面通过两个例子来示范元编程的基本使用：

• 编译期比较大小

mp_arglist<int L, int R>
mp_function static_min  //元函数 static_min
{
	static const int value = (L < R) ? L : R;
};

assert((static_min<10, 20>::value == 10)); //编译期比较

• demo_func 输入元数据 T 是指针类型返回const T，否则 const T*

mp_arglist<mp_arg T>   //单参元函数
mp_function demo_func
{
	mp_return(const T*);   //通常情况返回const T*
};

mp_arglist<mp_arg T>
mp_function demo_func<T*>   //对T*情况进行模板实例化
{
	mp_return(const T);
};

//这里用is_same元函数进行验证 #include<boost/type_traits/is_same>
assert((is_same<mp_exec(demo_func<int>), const int*>::value));
assert((is_same<mp_exec(demo_func<int*>), const int>::value));
//这里的 assert 必须用两对括号来包围断言

8. 总结

我们介绍了模板元编程的基础知识，包括元编程 / 元程序 / 元数据 和 元函数转发等概念。

• 元编程是一种超越普通程序的程序，在C++中元编程是使用模板技术实现的，所以它右被称为模板元编程。元程序可以由C++编译期解释执行，把部分计算量由运行时转移到编译时完成，提高程序运行效率，但元编程更大的用途是类型推导，操作C++类型体系。
• 元数据是元编程的操作对象，可以是整数（含bool）或任意的C++类型
• 元函数是元编程的核心，它表现为C++的一个模板类，我们必须使用元函数才能操作元数据。它以内部定义::type 或 ::value 返回计算结果，并可以使用public 继承的方式实现元函数转发

至此结束