模板元，书籍名，简述了模板元编程技术的起源、概念和机制， 并介绍了模板元编程技术在Blitz++和Loki程序库中的应用。
简介
本文简述了模板元编程技术的起源、概念和机制， 并介绍了模板元编程技术在Blitz++和Loki
程序库中的应用。
关键字
编译期计算 模板元编程 Blitz++ Loki
详细内容
1994年，C++标准委员会在圣迭哥举行的一次会议期间Erwin Unruh展示了一段可以产生质数的代码。这段代码的特别之处在于质数产生于编译期而非运行期，在编译器产生的一系列错误信息中间夹杂着从2到某个设定值之间的所有质数：
类模板D只有一个参数为void*的
构造器，而只有0才能被合法转换为void*。1994年，Erwin Unruh采用Metaware
编译器编译出错信息如下（以及其它一些信息，简短起见，它们被删除了）：
如今，上面的代码已经不再是合法的C++程序了。以下是Erwin Unruh亲手给出的修订版，可以在今天符合标准的C++
编译器上进行编译：
在GNU C++ (MinGW Special) 3.2中编译这段程序时，
编译器将会给出如下出错信息（以及其它一些信息，简短起见，它们被删除了）：
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 17]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 13]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 11]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 7]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 5]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 3]'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D::D(void*) [with int i = 2]'
这个例子展示了可以利用模板实例化机制于编译期执行一些计算。这种通过模板实例化而执行的特别的编译期计算技术即被称为模板
元编程。
顺便说一句，因为
编译器的出错信息并未被标准化，所以，如果你在Visual C++、Borland C++等编译器上看不到这么详细的出错信息，请不必讶异。
一个可以运行的模板元编程例子
模板
元编程（Template Metaprogramming）更准确的含义应该是“编‘可以编程序的’程序”，而模板
元程序（Template Metaprogram）则是“‘可以编程序的’程序”。也就是说，我们给出代码的产生规则，
编译器在编译期解释这些规则并生成新代码来实现我们预期的功能。
Erwin Unruh的那段经典代码并没有执行，它只是以编译出错信息的方式输出中间计算结果。让我们来看一个可以运行的模板
元编程例子 — 计算给定整数的指定次方：
模板元编程技术之根本在于递归模板实例化。第一个模板实现了一般情况下的递归规则。当用一对整数来实例化模板时，模板XY需要计算其result_的值，将同一模板中针对实例化所得结果乘以X即可。第二个模板是一个局部特化版本，用于终结递归。
让我们看看使用此模板来计算5^4 （通过实例化XY<5, 4>）时发生了什么：
首先，编译器实例化XY<5, 4>，它的result_为5 * XY<5, 3>::result_，如此一来，又需要针对<5, 3>实例化同样的模板，后者又实例化XY<5, 2>…… 当实例化到XY<5, 0>的时候，result_的值被计算为1，至此递归结束。
递归模板实例化的深度和终结条件
可以想象，如果我们以非常大的Y值来实例化
类模板XY，那肯定会占用大量的编译器资源甚至会迅速耗尽可用资源（在计算结果溢出之前），因此，在实践中我们应该有节制地使用模板元
编程技术。
虽然 C++标准建议的最小实例化深度只有17层，然而大多数
编译器都能够处理至少几十层，有些编译器允许实例化至数百层，更有一些可达数千层，直至资源耗尽。
假如我们拿掉XY模板局部特化版本，情况会如何？
执行如下编译命令：
你将会看到递归实例化将一直进行下去，直到达到
编译器的极限。
GNU C++ (MinGW Special) 3.2的默认实例化极限深度为500层，你也可以手工调整实例化深度：
事实上，就本例而言，g++ 3.2允许的实例化极限深度还可以再大一些（我的测试结果是不超过3450层）。
因此，在使用模板元
编程技术时，我们总是要给出原始模板的特化版（局部特化版或完全特化版或兼而有之），以作为递归模板实例化的终结准则。
利用模板元编程技术解开循环
模板元
编程技术最早的实际应用之一是用于数值计算中的解循环。举个例子，对一个
数组进行求和的常见方法是：
可见，循环被展开为a[0] + a[1] + a[2] + a[3] + a[4] + a[5]。这种直截了当的展开运算几乎总是比循环来得更有效率。
也许拿一个有着600万个元素的数组来例证循环开解的优势可能更有说服力。生成这样的数组很容易，有兴趣，你不妨测试、对比一下。
（感谢一位朋友的测试。他说 ，“据在Visual C++ 2003上实测编译器应当进行了尾递归优化，可以不受上面说的递归层次的限制，然而连加的结果在数组个数达到4796之后就不再正确了，程序输出了空行，已经出错” — 2003年12月30日补充）
模板元编程在数值计算程序库中的应用
Blitz++之所以“快如闪电”（这正是blitz的字面含义），离不开模板元程序的功劳。Blitz++淋漓尽致地使用了元编程技术，你可以到这些文件源代码中窥探究竟：
这段代码远比它乍看上去的简单。_bz_meta_vectorDot类模板使用了一个临时变量loopFlag来存放每一步循环条件的评估结果，并使用了一个完全特化版作为递归终结的条件。需要说明的是，和几乎所有元程序一样，这个临时变量作用发挥于编译期，并将从运行代码中优化掉。
Todd是在Blitz++数值数组库的主要作者。这个程序库（以及MTL和POOMA等程序库）例证了模板元程序可以为我们带来更加高效的数值计算性能。Todd宣称Blitz++的性能可以和对应的Fortran程序库媲美。
Loki程序库：活用模板元编程技术的典范
模板元编程的价值仅仅在于高性能数值计算吗？不仅如此。Loki程序库以对泛型模式的开创性工作闻名于C++社群。它很巧妙地利用了模板元编程技术实现了Typelist组件。Typelist是实现Abstract Factory、Visitor等泛型模式不可或缺的基础设施。
就像C++标准库组件std::list提供对一组数值的操作一样，Typelist可以用来操纵一组类型，其定义非常简单（摘自Loki程序库Typelist.h单元）：
显然，Typelist没有任何状态，也未定义任何操作，其作用只在于携带类型信息，它并未打算被实例化，因此，对于Typelist的任何处理都必然发生于编译期而非运行期。
Typelist可以被无限扩展，因为模板参数可以是任何类型（包括该模板的其他具现体）。例如：
Typelist > >
就是一个包含有char、int、float三种类型的Typelist。
class NullType;
NullType只有声明，没有定义，因为Loki程序库永远都不需要创建一个NullType对象。
让我们看看IndexOf模板元程序，它可以在一个Typelist中查找给定类型的位置（摘自Loki程序库的Typelist.h单元）：
IndexOf提供了一个原始模板和三个局部特化版。算法非常简单：如果TList（就是一个Typelist）是一个NullType，则value为-1。如果TList的头部就是T，则value为0。否则将IndexOf施行于TList的尾部和T，并将评估结果置于一个临时变量temp中。如果temp为-1，则value为-1，否则value为1 + temp。
为了加深你对Typelist采用的模板元编程技术的认识，我从Loki程序库剥离出如下代码，放入一个typelistlite.h文件中：
程序输出如下：
IndexOf::value = 1
IndexOf::value = 2
IndexOf::value = -1
结语
模板元编程技术并非都是优点，比方说，模板元程序编译耗时，带有模板元程序的程序生成的代码尺寸要比普通程序的大，而且通常这种程序调试起来也比常规程序困难得多。另外，对于一些程序员来说，以类模板的方式描述算法也许有点抽象。
编译耗时的代价换来的是卓越的运行期性能。通常来说，一个有意义的程序的运行次数（或服役时间）总是远远超过编译次数（或编译时间）。为程序的用户带来更好的体验，或者为性能要求严格的数值计算换取更高的性能，值得程序员付出这样的代价。
很难想象模板元编程技术会成为每一个普通程序员的日常工具，相反，就像Blitz++和Loki那样，模板元程序几乎总是应该被封装在一个程序库的内部。对于库的用户来说，它应该是透明的。模板元程序可以（也应该）用作常规模板代码的内核，为关键的算法实现更好的性能，或者为特别的目的实现特别的效果。
模板元编程技术首次正式亮相于Todd Veldhuizen的《Using C++ Template Metaprograms》论文之中。这篇文章首先发表于1995年5月的C++ Report期刊上，后来Stanley Lippman编辑《C++ Gems》一书时又收录了它。参考文献中给出了这篇文章的链接，它还描述了许多本文没有描述到的内容。
David Vandevoorde和Nicolai M. Josuttis合著的《C++ Templates: The Complete Guide》一书花了一整章的篇幅介绍模板元编程技术，它同样是本文的参考资料并且也应该作为你的补充阅读材料。
Andrei Alexandrescu的天才著作《Modern C++ Design: Generic Programming and Design Patterns Applied》的第3章Typelists对Typelist有着更为详尽的描述。
参考文献和资源
1. David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis, C++ Templates: The Complete Guide, Addison Wesley, 2002.
2. Andrei Alexandrescu, Modern C++ Design: Generic Programming and Design Patterns Applied, Addison Wesley, 2001.
3. 侯捷 於春景 译，《C++设计新思维》，
华中科技大学出版社，2003。
4. Todd Veldhuizen, Template Metaprograms,
5. Todd Veldhuizen, C++ templates as partial evaluation (PEPM99),
6. Erwin Unruh, Prime numbers(Primzahlen - Original),
7. Erwin Unruh, Prime numbers(Primzahlen),
8. Blitz++,
9. Loki,
10. POOMA,
11. MinGW - Minimalist GNU for Windows,
荣耀
2003年10月