I.背景
C 在很多人的心目中，一直是一种OO语言，而事实上，现在对C 的非OO部分的各种使
用被逐渐地挖掘出来，其中最大的部分莫过于是template。STL、loki、boost，...，很
多先行者为我们提供了方案，有的已经被列入C 标准的一部分。template的一个重要使
用方法就是template meta programming，它利用编译器对于template的解释是静态的这
一特性，让编译器在编译时做计算，可以有效的提高程序的运行速度。有关于template
meta programming的记载，最早见于Erwin Unruh，他在1994年写了一个用template计算
质数的程序。我希望通过这篇文章介绍一些TMP的基本技巧和应用，并且最终完成一个质
数计算程序。
（阅读本文的过程中，建议你试图编译每一个给出的程序。由于所有的类只需要public
成员，所以都用struct声明，但是仍然称之为类。）
II.技术
通常我们编写一个（小）程序，需要的语言支持其实不必很多，只要有顺序、选择和循
环三种控制结构理论上就可以写出大多数程序了。我们先用TMP建立一个简单的语言环境
。
1.打印
程序有了结果，需要有一个方式反馈给运行者，这里我们利用C 的出错信息，建立一个
打印函数。要知道我们希望一切都在编译的时候结束，那么我们就必须让C 编译器在编
译信息里面告诉我们，所以我们利用编译器的出错信息。当然这只是一个trick，如果你
的TMP只是程序的一部分，你可以使用正常的输入输出。
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
这个类，每当别人引用到它的result的时候，编译器就会打印出错信息，因为一个unsig
ned int是不能隐式的转成一个unsigned char*的。譬如下面这段程序
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
unsigned int test1 = print<77>::result;
unsigned int test2 = print<123>::result;
在我的Dev C 里，会输出
Code:main.cpp: In instantiation of `print<77>':
main.cpp:7: instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'
main.cpp: In instantiation of `print<123>':
main.cpp:8: instantiated from here
main.cpp:4: invalid conversion from `unsigned char*' to `unsigned int'
这个输出虽然不是很好看，但也算是差强人意。
2.选择
Andrei Alexanderescu在他的大作Modern C Design里面使用过一个类，可以根据bool
的值选择不同的类型。今天我们要写的一个是根据bool的值选择不同的整数。
Code:template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value2;
};
这里用到了模板的特化，如果你对这个不熟悉，那么大致可以这样理解：第一个templat
e_if的定义告诉编译器，“一般的”template_if，会选择第一个值作为结果。第二个te
mplate_if告诉编译器，如果第一个参数是false的话，我们就使用第二个值（第三个参
数）作为结果。下面这段代码演示了template_if的用法。
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value2;
};
template
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = template_if::result , 0>::result;
};
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
如果你去编译这段代码的话，你会发觉77和123都被打印出来了，虽然错误信息不一样，
但是这不是我们想要的结果。为什么呢？很遗憾，对C 编译器来说，template_if和template是两个不同的类，虽然后一个参数的值我们并不关
心，但是编译器必须在template初始化的时候，给出所有的参数，这就导致它会去计算p
rint::result，当然，计算的结果就是报错。也就是说，因为编译器要计算这个
值才导致了我们的print不可用，要解决这个问题，有两个方法：或者让编译器不计算这
个值，或者让编译器在某些情况下可以计算出正确的值。
方法一可以让编译器不计算这个值，通过修改template_if，我们传入两个不同的类，而
不是unsigned int。
首先修改print，加一个新的类dummy_print：
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct dummy_print
{
static const unsigned int result = value;
};
接着，加入一套对类型进行选择的模板：
Code:template
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T1::result;
};
template
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T2::result;
};
这样原先的程序就变成：
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct dummy_print
{
static const unsigned int result = value;
};
template
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T1::result;
};
template
struct template_if_type
{
static const unsigned int result = T2::result;
};
template
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = template_if_type , dummy_print >::result;
};
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
现在的“运行结果”非常正确。
方法二可以让编译器在某些情况下计算出正确的值，我们加一套新的模板：
Code:template
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
原先的程序变为：
Code:template
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
template
struct print_if_77
{
static const unsigned int result = print_if::result;
};
unsigned int test1 = print_if_77<77>::result;
unsigned int test2 = print_if_77<123>::result;
输出也是正确的。
这两种方案，我个人倾向于后者，因为其实我们一定是要做一次判断的，并且这次判断
一定会添加新的类，那么还是print_if的解决方案比较直观。
3. 循环
首先必须明确的是，template不可能实现我们一般意义上的循环，但是它可以做一件和
循环类似的事情：迭代。
如果有这样一个循环：for( unsigned int i = 0 ; i < value ; i )
我们可以这样写：
Code:template
struct loop
{
static const unsigned int result = loop::result 1;
};
template<>
struct loop<0>
{
static const unsigned int result = 0;
};
这就是告诉编译器，我们的迭代从0开始，到value结束，每个值是前者加1。
下面给出一个更广泛的循环的实现：for( unsigned int i = begin ; i < end ; i =
i step )，假设0<=begin0。（更复杂的情况，总可以通过template
specialization分派完成）
Code:template
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin step, end,
step>::result - step;
};
template
struct loop
{
static const unsigned int result = begin;
};
这里的result的计算过程不重要，关键是为了驱动编译器进一步的实例化模板。
下面是一个实例程序，用来打印13到29之间的整数，步长为5。
Code:template
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
template
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin step, end,
step>::result - step;
static const unsigned int print_result = print_if::result;
};
template
struct loop
{
static const unsigned int result = begin;
};
static unsigned int result = loop<13,29,5>::result;
III.应用
上面我已经介绍了怎样用TMP实现打印，选择和循环了，现在我们来把这些投入运用。下
面我会用上面的所提供的机制，写两个程序：计算阶乘和计算质数。
1.计算阶乘
我们先写一个普通的C 程序来计算阶乘：
Code:#include
int main()
{
unsigned int limit = 10;
unsigned int factorial = 1;
for( unsigned int i = 1 ; i <= limit ; i )
factorial *= i;
std::cout<
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct loop
{
static const unsigned int result = loop< begin step, end,
step>::result * begin;
};
template
struct loop
{
static const unsigned int result = begin;
};
static unsigned int result = print::result>::result;
因为这里不必要盘算是否输出，所以就直接用print了。
2.计算质数
同样，我们先写一个普通的程序来计算：
Code:#include
int main()
{
unsigned int limit = 30;
for( unsigned int i = 2 ; i <= limit ; i )
{
unsigned int j;
for( j = 2 ; j < i ; j )
if( i % j == 0 )
break;
if( i == j )
std::cout<
struct print_if
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct print_if
{
static const unsigned int result = value;
};
template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value1;
};
template
struct template_if
{
static const unsigned int result = value2;
};
// 这里增加一个i作为参数，因为在内循环也需要知道外部的i的值
template
struct inner_loop
{
static const unsigned int result = template_if::result,
begin>::result;
};
template
struct inner_loop
{
static const unsigned int result = begin;
};
template
struct outer_loop
{
static const unsigned int result = outer_loop< begin step, end,
step>::result;
static const unsigned int is_prime = inner_loop::result == begin;
static const unsigned int print_result = print_if::result;
};
template
struct outer_loop
{
static const unsigned int result = 0;
};
static unsigned int result = outer_loop<2, 30, 1>::result;
III.细节
另外有两点要说一下：
我们的template_if其实有一种更简单的写法，就是?:表达式。
而我们的print_if和print其实可以用确省的模板参数来统一，唯一的区别是，要把valu
e放在condition前面。
Code:template
struct print
{
static const unsigned int result = (unsigned char*)value;
};
template
struct print
{
static const unsigned int result = value;
};
这样你可以用print来打印一个数值，也可以用print来做判
断打印。
IIII.后记
很久以前看Inside OLE2的时候，记得作者说过一句话：作者因为写书而明白。我其实几
年前就写过类似的程序，但是从来没有对这样程序的写法进行过总结以至于每一次都是
在重新开始。而写完这篇文章后，我觉得自己比过去明白很多。template meta
programming还有很多不同的应用，我以后有机会会继续介绍给大家。
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