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C/C++语言基础--C++模板与元编程系列六，C++元编程相关库的讲解与使用

article 2024/11/15 8:13:37

本专栏目的

  • 更新C/C++的基础语法，包括C++的一些新特性

前言

  • 模板与元编程是C++的重要特点，也是难点，本人预计将会更新10期左右进行讲解，这是第六期，讲解元编程相关库等，本人感觉这一部分内容还是比较复杂的；
  • C语言后面也会继续更新知识点，如内联汇编；
  • 欢迎收藏 + 关注，本人将会持续更新。

文章目录

    • 1、元编程简介
      • 简介
      • constexpr
      • 为什么需要元编程技术？？
    • 2、C++元编程相关库的使用
      • is_void
      • is_integral
      • is_floating_point
      • is_const
      • remove_const
      • remove_reference
      • is_same
      • enable_if
      • conditional
      • declval

1、元编程简介

简介

🃏 官方：元编程（Metaprogramming）是指某类计算机程序的编写，这类计算机程序编写或者操纵其他程序（或者自身）作为它们的数据，或者在运行时完成部分本应在编译时完成的工作。

🛰 简单的说：在编译期进行计算或者类型判断这两类

constexpr

constexpr在变量模板这一届已经讲过了，详细请看：C/C++语言基础–C++模板与元编程系列三(变量模板、constexpr、萃取等…………)

constexpr就是一个很典型的例子，他修饰的函数、变量这些在编译期就完成了计算或者类型判断，这里仅作简单介绍，这里举两个例子：

1、结合模板

template <int x>
struct MM {
	constexpr static int y = x + 1;
};
  • 这里定义了一个结构体，在结构体中定义了constexpr变量，这说明这个变量的值在编译的时候就计算出来了，但是这里要注意的是要加static修饰，在C++17标准之后，constexpr 就已经默认自动会加上static修饰，==原因是：==如果不加那么程序就不知道这个变量应该在什么地方存储，把他定义为静态变量也符合元编程的定义，🐯 提示：一般程序的内存分配是在运行的时候分配的，但是有些不是，是在编译期确定，如：静态、全局、常量等…………
  • 传递参数：是在模板中，利用模板的特化特性

2、constexpr修饰函数

constexpr int add(int a, int b)
{
	return a + b;
}

  • 注意：constexpr修饰的的函数，那么调用他的地方，仅仅说明可以在编译期进行计算，但是不一定就在编译器进行计算，还可能在运行期计算，如下：

  • int x = 10;
int y = 20;
cout << add(x, y) << endl;        // 运行期计算，因为编译器不确定

cout << add(10, 20) << endl;       // 编译期计算
constexpr int sum = add(10, 20);   // 返回值结=接收，需要用constexpr修饰

  • 但是小编认为，最好先用变量接收这个值，然后在输出，然后需要注意的是： 返回值一定要用constexpr修饰，这样的add(x, y)会报错，这样符合元编程概念：在编译期进行静态计算.

在这里插入图片描述

为什么需要元编程技术？？

主要目的： 提高效率

😈 假设：有一个东西，在运行的时候经常要用，这个值是固定的，但是需要通过计算得出，我们这里假设斐波那契数列前30项是固定的，需要经常使用，那么这个时候就可以现用元编程的循环结构先在编译器进行计算，后面在运行的时候直接调用即可(这个代码见下一节：元编程的三种编程方式)

2、C++元编程相关库的使用

C++11标准引入了一系列增强模板元编程特性的功能和库，但并没有直接引入一个名为“元编程库”的单一头文件，然而，C++11通过增强模板、类型特征（type traits）和其他编译时特性，为元编程提供了更强大的支持。

在C++11中，与元编程紧密相关的头文件主要是<type_traits>。这个头文件包含了大量的类型特征模板，这些模板可以在编译时查询类型的信息，并根据这些信息进行条件编译或生成代码。

<type_traits> 头文件主要解决的是： 元编程中类型判断问题。

is_void

is_void 是在编译期进行判断，这个变量类型是否是void，一般结合模板使用（这里简单举例了一下）。

适用场景

  • 检查基本类型
  • 检查自定义类型
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

struct MyType {
	string name;
	unsigned int age;
};

int main()
{
	// 检查基本类型
	cout << boolalpha;
	cout << "is_void<void>: " << is_void<void>::value << endl;
	cout << "is_void<int>: " << is_void<int>::value << endl;

	// 检查自定义类型
	cout << "is_void<MyType>: " << is_void<MyType>::value << endl;


	// C++17简化版本
	cout << "C++17: " << is_void_v<void> << endl; 

	return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

is_integral

is_void 是在编译期进行判断类型是否为整型类型。

注意：整型类型包括所有的整数类型（如 char、short、int、long、long long 等）以及它们的无符号版本（如 unsigned char、unsigned short、unsigned int、unsigned long、unsigned long long 等），不只是int哈 🤠🤠🤠🤠

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <type_traits>

using namespace std;

int main()
{
	// 判断是整型
	cout << boolalpha;
	cout << "is_integral<int>: " << is_integral<int>::value << endl;
	cout << "is_integral<char>: " << is_integral<char>::value << endl;
	cout << "is_integral<unsigned>: " << is_integral<unsigned>::value << endl;
	cout << "is_integral<long long>: " << is_integral<long long>::value << endl;

	// 判断不是整形
	cout << "is_integral<string>: " << is_integral<string>::value << endl;
	cout << "is_integral<double>: " << is_integral<double>::value << endl;

	// C++17 优化版本
	cout << "C++17: " << is_integral_v<int> << endl;


	return 0;
}

输出:

在这里插入图片描述

is_floating_point

用于在编译时检查一个给定的类型是否为浮点型类型。浮点型类型主要包括 float、double .

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

int main()
{
	// 检查浮点型
	cout << boolalpha;
	cout << "is_floating_point<float>: " << is_floating_point<float>::value << endl;
	cout << "is_floating_point<double>: " << is_floating_point<double>::value << endl;

	// 检查非浮点型
	cout << "is_floating_point<string>: " << is_floating_point<string>::value << endl;
	cout << "is_floating_point<int>: " << is_floating_point<int>::value << endl;


	// C++17优化版本
	cout << "C++17: " << is_floating_point_v<int> << endl;


	return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

is_const

在编译时检查一个给定的类型是否被const修饰。如果类型是常量类型，则返回为 true；否则为 false。

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

template<typename _Ty>
void isConst()
{
	// 17版本: is_const_v
	if (is_const<_Ty>::value) {
		cout << "is const" << endl;
	}
	else {
		cout << "no const" << endl;
	}
}

void test()
{
	isConst<int>();
	isConst<const int>();
	isConst<const char*>();
}

int main()
{
	test();

	return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

remove_const

在编译时移除类型的 const 限定符

  • 如果给定的类型已经是 const 限定的，std::remove_const 会生成一个去除了 const 限定符的新类型
  • 如果给定的类型原本就没有 const 限定符，那么它就直接返回该类型本身
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

template<typename _Ty>
void fix(_Ty t)
{
	// C++14 简化版本: remove_const_t
	using Type = remove_const<_Ty>::type;
	Type num = t;
	cout << num + 10 << endl;
}

int main()
{
	constexpr int x = 10;
	fix<decltype(x)>(x);


	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述

remove_reference

在编译时移除类型的引用限定符（即 & 或 &&）

  • 如果给定的类型是一个引用类型，std::remove_reference 会生成一个去除了引用限定符的新类型
  • 如果给定的类型原本就不是引用类型，那么它就直接返回该类型本身。
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

template <class _Ty>
void fix(_Ty t) 
{
	if (is_same_v<_Ty, int&>) {
		t += 10;
		cout << "before t: " << t << endl;

		// C++简化版： remove_reference_t
		using Type = remove_reference<_Ty>::type;
		Type num = t;
		num += 20;
		cout << "before t: " << t << "\tbefore num: " << num << endl;
	}
}

int main()
{
	int x = 20;
	int& y = x;

	fix<int&>(y);

	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述

👀 很明显，这个去掉了&d的作用

is_same

用于在编译时检查两个类型是否完全相同

它不是直接可执行的代码，而是用作模板参数或与其他模板结合使用时，在编译时提供类型信息的工具

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <type_traits>

using namespace std;

template <typename _Ty>
void fix(_Ty t)
{
	// 如果不用constexpr会报错，因为不用constexpr编译器会在运行的时候运行代码，这个时候编译器就是错误
	if constexpr (is_same_v<_Ty, string>) {
		t += "--fix";
	}
	else {
		t += 10;
	}
	cout << " fix: " << t << endl;
}

void test()
{
	fix<int>(18);
	fix<string>(string("yxz"));
	fix<double>(8);
}

int main()
{
	cout << boolalpha;
	test();

	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述

😜 这里有个注意点： if constexpr结构，这个下一篇介绍元编程的三种编程方式会讲🏚🏚

enable_if

用于在编译时基于模板参数的条件来选择性地启用或禁用函数模板、类模板的特定特化—，或者模板成员函数。std::enable_if 通常与 typename = std::enable_if<condition>::type(C++11)，在C++14有enable_if_t。

💌 核心： 启用、禁止

#include <iostream>
#include <type_traits>

using namespace std;

template<typename _Ty, typename = enable_if<is_integral_v<_Ty>>::type>
void printInt(_Ty t)
{
	cout << "整型数据: " << t << endl;
}

int main()
{
	printInt<int>(10);
	//printInt<double>(10.0);  // 报错

	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述

conditional

std::conditional 是一个模板结构体，它根据给定的条件来选择两个类型之一。这类似于条件编译指令（如 #ifdef），但它是在类型级别上工作的，而不是在编译指令级别。

std::conditional 模板接受两个类型参数和一个布尔条件作为模板参数。

  • 如果条件为真（true），则 std::conditional 的 type 成员别名将解析为第一个类型参数；
  • 如果条件为假（false），则它将解析为第二个类型参数。
#include <iostream>
#include <type_traits>

using namespace std;

int main()
{
	constexpr bool condition = false;   // 条件判断, 这个一般需要结合模板， 然后更具实际业务常见

	using Type = conditional<condition, int, string>::type;
	Type t;

	if constexpr (!is_integral_v<Type>) {
		t += string("yxz");
	}

	cout << t << endl;

	return 0;
}

结果:

在这里插入图片描述

declval

std::declval 是 C++11 引入的一个非常有用的工具，它位于 <utility> 头文件中，它允许在编译期的时候判断一个类是不是包含某一种方法。

std::declval 基本用法

template<typename T>  
auto func() -> decltype(std::declval<T>().member_function());   //判断T这个类是否有member_function这个方法

🛰 例子：

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <utility>

using namespace std;

class Test
{
public:
	void print()
	{
		cout << __FUNCTION__ << endl;
	}
};

class Other
{
public:
	Other()
	{
		cout << __FUNCTION__ << endl;
	}
};

template <typename T>
auto func() -> decltype(declval<T>().print())
{
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

int main()
{
	func<Test>();
	//func<Other>();  报错

	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述


http://www.kler.cn/a/394138.html

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