C++11模版元编程的应用

1.概述

　　关于C++11模板元的基本用法和常用技巧，我在程序员2015年2月B《C++11模版元编程》一文（后称前文）中已经做了详细地介绍，那么C++11模版元编程用来解决什么实际问题呢，在实际工程中又该如何应用呢？本文将侧重介绍C++11模板的一些具体应用，向读者展示模版元编程的具体应用。

　　我们将展示如何通过C++11模版元来实现function_traits、Vairant类型和泛型bind绑定器。function_traits侧重于如何萃取可调用对象的一些元信息，Variant则是一种能接受多种类型数据的“万能”类型，bind则是一个泛化的绑定器，下面来看看这些具体的例子。

2.function_traits

　　function_traits用来获取函数语义的可调用对象的一些属性，比如函数类型、返回类型、函数指针类型和参数类型等。下面来看看如何实现function_traits。

template<typename T>
struct function_traits;

//普通函数
template<typename Ret, typename... Args>
struct function_traits<Ret(Args...)>
{
public:
    enum { arity = sizeof...(Args) };
    typedef Ret function_type(Args...);
    typedef Ret return_type;
    using stl_function_type = std::function<function_type>;
    typedef Ret(*pointer)(Args...);

    template<size_t I>
    struct args
    {
        static_assert(I < arity, "index is out of range, index must less than sizeof Args");
        using type = typename std::tuple_element<I, std::tuple<Args...>>::type;
    };
};

//函数指针
template<typename Ret, typename... Args>
struct function_traits<Ret(*)(Args...)> : function_traits<Ret(Args...)>{};

//std::function
template <typename Ret, typename... Args>
struct function_traits<std::function<Ret(Args...)>> : function_traits<Ret(Args...)>{};

//member function
#define FUNCTION_TRAITS(...) \
    template <typename ReturnType, typename ClassType, typename... Args>\
    struct function_traits<ReturnType(ClassType::*)(Args...) __VA_ARGS__> : function_traits<ReturnType(Args...)>{}; \

FUNCTION_TRAITS()
FUNCTION_TRAITS(const)
FUNCTION_TRAITS(volatile)
FUNCTION_TRAITS(const volatile)

//函数对象
template<typename Callable>
struct function_traits : function_traits<decltype(&Callable::operator())>{};

由于可调用对象可能是普通的函数、函数指针、lambda、std::function和成员函数，所以我们需要针对这些类型分别做偏特化，然后萃取出可调用对象的元信息。其中，成员函数的偏特化稍微复杂一点，因为涉及到cv符的处理，这里通过定义一个宏来消除重复的模板类定义。参数类型的获取我们是借助于tuple，将参数转换为tuple类型，然后根据索引来获取对应类型。它的用法比较简单：

template<typename T>
void PrintType()
{
    cout << typeid(T).name() << endl;
}
int main()
{
    std::function<int(int)> f = [](int a){return a; };

    //打印函数类型
    PrintType<function_traits<std::function<int(int)>>::function_type>(); //将输出int __cdecl(int)

    //打印函数的第一个参数类型
    PrintType<function_traits<std::function<int(int)>>::args<>::type>();//将输出int

    //打印函数的返回类型
　　PrintType<function_traits<decltype(f)>::return_type>(); //将输出int

　　//打印函数指针类型
    PrintType<function_traits<decltype(f)>::pointer>(); //将输出int (__cdecl*)(int)
}

　　可以看到这个function_traits通过类型萃取，可以很方便地获取可调用对象（函数、函数指针、函数对象、std::function和lambda表达式）的一些元信息，功能非常强大，这个function_traits经常会用到是更高层模版元程序的基础。比如Variant类型的实现就要用到这个function_traits，下面来看看Variant的实现。

3.Variant

　　借助上面的function_traits和前文实现的一些元函数，我们就能方便的实现一个“万能类型”—Variant，Variant实际上一个泛化的类型，这个Variant和boost.variant的用法类似，需要预定义一些类型作为可接受的类型。boost.variant的基本用法如下：

typedef variant<int,char, double> vt;
vt v = ;
v = 'a';
v = 12.32;

　　这个variant可以接受已经定义的那些类型，看起来有点类似于c#和java中的object类型，实际上variant是擦除了类型，要获取它的实际类型的时候就稍显麻烦，需要通过boost.visitor来访问：

struct VariantVisitor : public boost::static_visitor<void>
{
    void operator() (int a)
    {
        cout << "int" << endl;
    }

    void operator() (short val)
    {
        cout << "short" << endl;
    }

    void operator() (double val)
    {
        cout << "double" << endl;
    }

    void operator() (std::string val)
    {
        cout << "string" << endl;
    }
};

boost::variant<int,short,double,std::string> v = ;
boost::apply_visitor(visitor, v); //将输出int

　　通过C++11模版元实现的Variant将改进值的获取，将获取实际值的方式改为内置的，即通过下面的方式来访问：

typedef Variant<int, double, string, int> cv;
cv v = ;
v.Visit([&](double i){cout << i << endl; }, [](short i){cout << i << endl; }, [=](int i){cout << i << endl; },[](const string& i){cout << i << endl; });//结果将输出10

　　这种方式更方便直观。Variant的实现需要借助前文中实现的一些元函数MaxInteger、MaxAlign、Contains和At等等。下面来看看Variant实现的关键代码，完整的代码请读者参考笔者在github上的代码https://github.com/qicosmos/cosmos/blob/master/Varaint.hpp。

template<typename... Types>
class Variant{
    enum{
        data_size = IntegerMax<sizeof(Types)...>::value,
        align_size = MaxAlign<Types...>::value
    };
    using data_t = typename std::aligned_storage<data_size, align_size>::type;
public:
    template<int index>
    using IndexType = typename At<index, Types...>::type;

    Variant(void) :m_typeIndex(typeid(void)){}
    ~Variant(){ Destroy(m_typeIndex, &m_data); }

    Variant(Variant<Types...>&& old) : m_typeIndex(old.m_typeIndex){
        Move(old.m_typeIndex, &old.m_data, &m_data);
    }

    Variant(const Variant<Types...>& old) : m_typeIndex(old.m_typeIndex){
        Copy(old.m_typeIndex, &old.m_data, &m_data);
    }

    template <class T,
    class = typename std::enable_if<Contains<typename std::remove_reference<T>::type, Types...>::value>::type> Variant(T&& value) : m_typeIndex(typeid(void)){
            Destroy(m_typeIndex, &m_data);
            typedef typename std::remove_reference<T>::type U;
            new(&m_data) U(std::forward<T>(value));
            m_typeIndex = type_index(typeid(U));
    }

    template<typename T>
    bool Is() const{
        return (m_typeIndex == type_index(typeid(T)));
    }

    template<typename T>
    typename std::decay<T>::type& Get(){
        using U = typename std::decay<T>::type;
        if (!Is<U>())
        {
            cout << typeid(U).name() << " is not defined. " << "current type is " <<
                m_typeIndex.name() << endl;
            throw std::bad_cast();
        }

        return *(U*)(&m_data);
    }

    template<typename F>
    void Visit(F&& f){
        using T = typename Function_Traits<F>::template arg<>::type;
        if (Is<T>())
            f(Get<T>());
    }

    template<typename F, typename... Rest>
    void Visit(F&& f, Rest&&... rest){
        using T = typename Function_Traits<F>::template arg<>::type;
        if (Is<T>())
            Visit(std::forward<F>(f));
        else
            Visit(std::forward<Rest>(rest)...);
    }
private:
    void Destroy(const type_index& index, void * buf){
        std::initializer_list<int>{(Destroy0<Types>(index, buf), )...};
    }

    template<typename T>
    void Destroy0(const type_index& id, void* data){
        if (id == type_index(typeid(T)))
            reinterpret_cast<T*>(data)->~T();
    }

    void Move(const type_index& old_t, void* old_v, void* new_v) {
        std::initializer_list<int>{(Move0<Types>(old_t, old_v, new_v), )...};
    }

    template<typename T>
    void Move0(const type_index& old_t, void* old_v, void* new_v){
        if (old_t == type_index(typeid(T)))
            new (new_v)T(std::move(*reinterpret_cast<T*>(old_v)));
    }

    void Copy(const type_index& old_t, void* old_v, void* new_v){
        std::initializer_list<int>{(Copy0<Types>(old_t, old_v, new_v), )...};
    }

    template<typename T>
    void Copy0(const type_index& old_t, void* old_v, void* new_v){
        if (old_t == type_index(typeid(T)))
            new (new_v)T(*reinterpret_cast<const T*>(old_v));
    }
private:
    data_t m_data;
    std::type_index m_typeIndex;//类型ID
};

　　实现Variant首先需要定义一个足够大的缓冲区用来存放不同的类型的值，这个缓类型冲区实际上就是用来擦除类型，不同的类型都通过placement new在这个缓冲区上创建对象，因为类型长度不同，所以需要考虑内存对齐，C++11刚好提供了内存对齐的缓冲区aligned_storage：

template< std::size_t Len, std::size_t Align = /*default-alignment*/ >
struct aligned_storage;

　　它的第一个参数是缓冲区的长度，第二个参数是缓冲区内存对齐的大小，由于Varaint可以接受多种类型，所以我们需要获取最大的类型长度，保证缓冲区足够大，然后还要获取最大的内存对齐大小，这里我们通过前面实现的MaxInteger和MaxAlign就可以了，Varaint中内存对齐的缓冲区定义如下：

enum
{
        data_size = IntegerMax<sizeof(Types)...>::value,
        align_size = MaxAlign<Types...>::value
};

using data_t = typename std::aligned_storage<data_size, align_size>::type; //内存对齐的缓冲区类型

　　其次，我们还要实现对缓冲区的构造、拷贝、析构和移动，因为Variant重新赋值的时候需要将缓冲区中原来的类型析构掉，拷贝构造和移动构造时则需要拷贝和移动。这里以析构为例，我们需要根据当前的type_index来遍历Variant的所有类型，找到对应的类型然后调用该类型的析构函数。

　　 void Destroy(const type_index& index, void * buf)
    {
        std::initializer_list<int>{(Destroy0<Types>(index, buf), )...};
    }

    template<typename T>
    void Destroy0(const type_index& id, void* data)
    {
        if (id == type_index(typeid(T)))
            reinterpret_cast<T*>(data)->~T();
    }

　　这里，我们通过初始化列表和逗号表达式来展开可变模板参数，在展开的过程中查找对应的类型，如果找到了则析构。在Variant构造时还需要注意一个细节是，Variant不能接受没有预先定义的类型，所以在构造Variant时，需要限定类型必须在预定义的类型范围当中，这里通过type_traits的enable_if来限定模板参数的类型。

template <class T,
    class = typename std::enable_if<Contains<typename std::remove_reference<T>::type, Types...>::value>::type> Variant(T&& value) : m_typeIndex(typeid(void)){
            Destroy(m_typeIndex, &m_data);
            typedef typename std::remove_reference<T>::type U;
            new(&m_data) U(std::forward<T>(value));
            m_typeIndex = type_index(typeid(U));
    }

　　这里enbale_if的条件就是前面实现的元函数Contains的值，当没有在预定义的类型中找到对应的类型时，即Contains返回false时，编译期会报一个编译错误。

最后还需要实现内置的Vistit功能，Visit的实现需要先通过定义一系列的访问函数，然后再遍历这些函数，遍历过程中，判断函数的第一个参数类型的type_index是否与当前的type_index相同，如果相同则获取当前类型的值。

template<typename F>
    void Visit(F&& f){
        using T = typename Function_Traits<F>::template arg<>::type;
        if (Is<T>())
            f(Get<T>());
    }

    template<typename F, typename... Rest>
    void Visit(F&& f, Rest&&... rest){
        using T = typename Function_Traits<F>::template arg<>::type;
        if (Is<T>())
            Visit(std::forward<F>(f));
        else
            Visit(std::forward<Rest>(rest)...);
    }

　　Visit功能的实现利用了可变模板参数和function_traits，通过可变模板参数来遍历一系列的访问函数，遍历过程中，通过function_traits来获取第一个参数的类型，和Variant当前的type_index相同时则取值。为什么要获取访问函数第一个参数的类型呢？因为Variant的值是唯一的，只有一个值，所以获取的访问函数的第一个参数的类型就是Variant中存储的对象的实际类型。

4.bind

　　C++11中新增的std::bind是一个很灵活且功能强大的绑定器，std::bind用来将可调用对象与其参数进行绑定。绑定后的结果可以使用std::function进行保存，并延迟调用到任何我们需要的时候。下面是它的基本用法：

void output(int x, int y)
{
    std::cout << x << " " << y << std::endl;
}

int main(void)
{
    std::bind(output, , )();                          // 输出: 1 2
    std::bind(output, std::placeholders::_1, )();     // 输出: 1 2
    std::bind(output, , std::placeholders::_1)();     // 输出: 2 1
}

　　std::placeholders::_1是一个占位符，代表这个位置将在函数调用时，被传入的第一个参数所替代。因为有了占位符的概念，std::bind的使用非常灵活，我们可以用它来替代任意位置的参数，延迟到后面再传入实际参数。下图是bind的一个原理图，更多的原理图读者可以参考：http://blog.think-async.com/2010/04/bind-illustrated.html。

　　从上图中可以看到bind把参数和占位符保存起来了，然后在后面调用的时候再按照顺序去替换占位符，最终实现延迟执行。

我们可以通过模板元来实现一个简单的bind，实现bind需要解决两个问题：

1.将tuple展开为可变模板参数

　　bind绑定可调用对象时，需要将可调用对象的形参（可能含占位符）保存起来，保存到tuple中了。到了调用阶段，我们就要反过来将tuple展开为可变参数，因为这个可变参数才是可调用对象的形参，否则就无法实现调用了。这里我们会借助于一个整形序列来将tuple变为可变参数，在展开tuple的过程中我们还需要根据占位符来选择合适实参，即占位符要替换为调用实参。这里要用到前文中实现的MakeIndexes。

2.根据占位符来选择合适的实参

　　这个地方比较关键，因为tuple中可能含有占位符，我们展开tuple时，如果发现某个元素类型为占位符，则从调用的实参生成的tuple中取出一个实参，用来作为变参的一个参数；当某个类型不为占位符时，则直接从绑定时生成的形参tuple中取出参数，用来作为变参的一个参数。最终tuple被展开为一个变参列表，这时，这个列表中没有占位符了，全是实参，就可以实现调用了。这里还有一个细节要注意，替换占位符的时候，如何从tuple中选择合适的参数呢，因为替换的时候要根据顺序来选择。这里是通过占位符的模板参数I来选择，因为占位符place_holder<I>的实例_1实际上place_holder<1>, 占位符实例_2实际上是palce_holder<2>,我们是可以根据占位符的模板参数来获取其顺序的。

　　下面来看看bind实现的关键代码，完整的代码读者可以参考我github上的代码：https://github.com/qicosmos/cosmos/blob/master/Bind.hpp。

template <int I>
struct Placeholder{};

Placeholder<> _1; Placeholder<> _2; Placeholder<> _3; Placeholder<> _4; Placeholder<>_5; Placeholder<> _6; Placeholder<> _7;Placeholder<> _8; Placeholder<> _9; Placeholder<> _10;

template <typename T, class Tuple>
inline auto select(T&& val, Tuple&)->T&&{
    return std::forward<T>(val);
}

template <int I, class Tuple>
inline auto select(Placeholder<I>&, Tuple& tp) -> decltype(std::get<I - >(tp)){
    return std::get<I - >(tp);
}

template <typename R, typename F, typename... P>
inline typename std::enable_if<is_pointer_noref<F>::value, R>::type invoke(F&& f, P&&... par){
        return (*std::forward<F>(f))(std::forward<P>(par)...);
}

template<typename Fun, typename... Args>
struct Bind_t{
    typedef typename decay<Fun>::type FunType;
    typedef std::tuple<typename decay<Args>::type...> ArgType;

    typedef typename function_traits<FunType>::return_type     result_type;
public:
    template<class F, class... BArgs>
    Bind_t(F& f, BArgs&... args) : m_func(f), m_args(args...){}

    template<typename F, typename... BArgs>
    Bind_t(F&& f, BArgs&&... par) : m_func(std::move(f)), m_args(std::move(par)...){}

    template <typename... CArgs>
    result_type operator()(CArgs&&... args){
        return do_call(MakeIndexes<std::tuple_size<ArgType>::value>::type(),
            std::forward_as_tuple(std::forward<CArgs>(args)...));
    }

    template<typename ArgTuple, int... Indexes >
    result_type do_call(IndexTuple< Indexes... >& in, ArgTuple& argtp){
        return invoke<result_type>(m_func, select(std::get<Indexes>(m_args),argtp)...);
    }

private:
    FunType m_func;
    ArgType m_args;
};

template <typename F, typename... P>
inline Bind_t<F, P...> Bind(F&& f, P&&... par){
    return Bind_t<F, P...>(std::forward<F>(f), std::forward<P>(par)...);
}

template <typename F, typename... P>
inline Bind_t<F, P...> Bind(F& f, P&... par){
    return Bind_t<F, P...>(f, par...);
}
测试代码：
void TestFun1(int a, int b, int c)
{
}

void TestBind1()
{
    Bind(&TestFun1, _1, _2, _3)(, , );
    Bind(&TestFun1, , , _1)();
    Bind(&TestFun1, _1, , )();
    Bind(&TestFun1, , _1, )();
}

　　由于只是展示bind实现的关键技术，很多的实现细节并没有处理，比如参数是否是引用、右值、cv符、绑定非静态的成员变量都还没处理，仅仅用来展示如何综合运用一些模版元技巧和元函数，并非是重复发明轮子，只是展示bind是如何实现, 实际项目中还是使用c++11的std::bind为好。

5总结

　　可以看到C++11模板元编程能解决很复杂的问题，能实现一些几乎不可能完成的功能，比如实现了“万能”类型Variant，和泛化的绑定器bind，这些东西的实现如果不通过模版元的话，几乎是无法想象的。虽然这些应用看起来比较复杂，但是它将复杂性彻底的隐藏起来了，通过眼花缭乱的模版元技巧来解决复杂的问题，并最终给用户提供简单、强大和灵活的接口，这也是模版元编程最有魅力也最令人着迷的地方。模版元编程的应用很广，本文只是展示了一小部分的应用，如果读者还希望了解更多的应用，读还可以参考boost的mpl库和C++11的源码。

备注：本文是我发表在《程序员》2015.3月A，转载请注明出处。