C++шаблонное метапрограммирование.

Соглашения именований:

Когда метафункции есть соответствующий встроенный C ++ оператор, то ее имя сопровождается подчеркиванием, например: mpl::and_. Для каждого имени, заканчивающегося подчеркиванием «ХХХ_» существет отдельный «*.hpp» файл.

Иначе, метафункция MPL берет свое имя от соответствующего объекта функции STL, напимер: mpl::equal_to.

Использование «_c»: применяется к именам, если шаблоны принимают «голые» целочисленные константы, вместо оберток, как параметры. Суффикс «_c» может считаться сокращением от «const».

Основы

Шаблонные программы полностью совместимы со старым кодом С++, дополняют и и расширяют существующие языковые идиомы.

Пример простой метапрограммы:

#include "libs/mpl/book/chapter1/binary.hpp"

#include <iostream>

int main()

{

std::cout << binary<101010>::value << std::endl;

return 0;

}

Данный код посчитает битовый набор как число 42 даже без запуска.

Метапрограмма – программа порождающая программы.

Префикс «мета» переводится с греческого как «над» состояние, переход к чему-л. другому, перемена состояния.

Примеры метапрограмм:

Компилятор: на основе кода С++ генерирует код ассемблера и машинный код.

Генераторы синтаксического анализатора, такие как YACC - высокоуровневое описание синтаксического анализатора, записанное с точки зрения правил грамматики и присоединенных включенных в фигурную скобку действий.

Например, чтобы проанализировать и оценить арифметические выражения с обычными правилами приоритетов, мы могли бы подать YACC следующее описание грамматики:

expression : term

| expression '+' term { $$ = $1 + $3; }

| expression '-' term { $$ = $1 - $3; }

;

term : factor

| term '*' factor { $$ = $1 * $3; }

| term '/' factor { $$ = $1 / $3; }

;

factor : INTEGER

| group

;

group : '(' expression ')'

;

В ответе YACC генерировал бы исходный файл C/C++, содержащий функцию yyparse, которую мы можем вызвать, чтобы проанализировать текст:

int main()

{

extern int yyparse();

return yyparse();

}

Доменный язык синтаксического анализатора будет сконвертирован в стандартный язык С, который будет скопилирован и сосединен с другим кодом.

Вывод: метапрогрммирование лежит в основах самого языка.

Вычисления значений

Самые ранние метапрограммы C++ выполняли целочисленные вычисления во время компиляции. Одну из самых первых метапрограмм показал на заседании комитета C++ Эрвин Анрух; это был фактически недопустимый и ошибочный фрагмент кода, сообщения об ошибках которого содержали последовательность вычисленных простых чисел!

На основе таких команд было рождено новое направление программирования и недопустимое стало не только допустимым, но и крайне эффективным.

Пример:

template <unsigned long N>

struct binary

{

static unsigned const value =

binary<N/10>::value << 1 | N%10; // prepend higher bits to lowest bit

};

template <> // specialization terminates recursion

struct binary<0>

{

static unsigned const value = 0;

};

unsigned const one = binary<1>::value;

unsigned const three = binary<11>::value;

unsigned const five = binary<101>::value;

unsigned const seven = binary<111>::value;

unsigned const nine = binary<1000011001>::value;

// ======================================

// Разбор:

// binary<1>

// N = 1 (0000 0001)

// binary<1/10>::value = 0 (0000 0000)

// Приоритеты: "%" "<<" "|":

// 1%10 == 1 (0000 0001);

// 0000 0000 << 1 == 0000 0001;

// 0000 0001 | 0000 0001 == 0000 0001 (1);

// ======================================

unsigned const three = binary<11>::value;

// ======================================

// Разбор:

// binary<11>

// N = 11 (0000 1011)

// binary<11/10>::value = 1 (0000 0001)

// binary<1/10>::value = 0 (0000 0000)

// Приоритеты: "%" "<<" "|":

// 1%10 == 1 (0000 0001);

// 0000 0000 << 1 == 0000 0001;

// 0000 0001 | 0000 0001 == 0000 0001 (1);

// Приоритеты: "%" "<<" "|":

// 11%10 == 1 (0000 0001)

// 0000 0001 << 1 == 0000 0010 (2)

// 0000 0001 | 0000 0010 == 0000 0011 == 3

// ======================================

Требование: стоит передвать только набор из единиц и нулей, иначе результат будет ошибочен, хотя и посчитан.

Так происходит рекурсивное инстацнирование шаблона для аргумента N/10 пока не будет достигунт 0 – признак завершения рекурсии, после чего на этапе «сворачивания» рекурсии будет осуществлен расчет.

Аналогичный алгоритм времени выполнения:

unsigned Binary(unsigned long N)

{

return N == 0 ? 0 : N%10 + 2 * Binary(N/10);

}

Основные отличия:

• Способ, которым обработаны условия завершения рекурсии; матаалгоритм использует шаблонную специализацию, чтобы описать то, что происходит, когда N - нуль. Завершающиеся специализации - общая характеристика почти всех метапрограмм C++, хотя в некоторых случаях они будут скрыты позади интерфейса библиотеки метапрограммирования.

• Версия этапа выполнения также делает проверку на равенство нулю, другая версия делает то же самое, но итеративно в цикле:

unsigned Binary(unsigned long N)

{

unsigned result = 0;

for(unsigned bit = 0x1; N; N /= 10, bit <<= 1)

{

if(N%10) result += bit;

}

return result;

}

Итеративная версия более читабильная и быстрая.

Рекурсия – двигатель метапрограмм, т.к. на этеп компиляций не существует изменчивых значений, по изменению которых можно было бы судить завершать работу «цикла» или нет, поэтому возможны только бесконечные (пределы определены компилятором) специализации шаблона с разными аргументами посредством рекурсии.