作者 | 祁宇

責(zé)編 | 郭芮

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

不斷出現(xiàn)的C++新的標(biāo)準(zhǔn)，正在改變?cè)幊痰木幊趟枷?，新的idea和方法不斷涌現(xiàn)，讓元編程變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，讓C++變得簡(jiǎn)單也是C++未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。

很多人對(duì)元編程有一些誤解，認(rèn)為代碼晦澀難懂，編譯錯(cuò)誤提示很糟糕，還會(huì)讓編譯時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)元編程有一種厭惡感。不可否認(rèn)，元編程確實(shí)有這樣或那樣的缺點(diǎn)，但是它同時(shí)也有非常鮮明的優(yōu)點(diǎn)：

• zero-overhead的編譯期計(jì)算；
• 簡(jiǎn)潔而優(yōu)雅地解決問(wèn)題；
• 終極抽象。

在我看來(lái)元編程最大的魅力是它常常能化腐朽為神奇，幫我們寫(xiě)出dream code！

C++98模版元編程思想

C++98中的模版元編程通常和這些特性和方法有關(guān)：

• 元函數(shù)；
• SFINAE；
• 模版遞歸；
• 遞歸繼承；
• Tag Dispatch；
• 模版特化/偏特化。

元函數(shù)

元函數(shù)就是編譯期函數(shù)調(diào)用的類(lèi)或模版類(lèi)。比如下面這個(gè)例子：

addpointer就是一個(gè)元函數(shù)（模版類(lèi)），元函數(shù)的調(diào)用是通過(guò)訪問(wèn)其sub-type實(shí)現(xiàn)的，比如addpointer::type就是調(diào)用add_pointer元函數(shù)了。

這里面類(lèi)型T作為元函數(shù)的value，類(lèi)型是元編程中的一等公民。模版元編程概念上是函數(shù)式編程，對(duì)應(yīng)于一個(gè)普通函數(shù)，值作為參數(shù)傳給函數(shù)，在模版元里，類(lèi)型作為元函數(shù)的參數(shù)被傳來(lái)傳去。

SFINAE

替換失敗不是錯(cuò)誤。

template
struct enable_if {};
template
struct enable_if { typedef T type; };
template 
typename enable_if::type
foo(T t) {}
foo(1); //ok
foo('a'); //compile error

在上面的例子中，調(diào)用foo('a')模版函數(shù)的時(shí)候，有一個(gè)模版實(shí)例化的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中會(huì)替換模版參數(shù)，如果模版參數(shù)替換失敗，比如不符合編譯期的某個(gè)條件，那么這個(gè)模版實(shí)例化會(huì)失敗，但是這時(shí)候編譯器不認(rèn)為這是一個(gè)錯(cuò)誤，還會(huì)繼續(xù)尋找其他的替換方案，直到所有的都失敗時(shí)才會(huì)產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤，這就是SFINAE。SFINAE實(shí)際上是一種編譯期的選擇，不斷去選擇直到選擇到一個(gè)合適的版本位置，其實(shí)它也可以認(rèn)為是基于模板實(shí)例化的tag dispatch。

模版遞歸，模版特化

這是模版元編程的hello world例子，通過(guò)模版特化和模版遞歸實(shí)現(xiàn)編譯期計(jì)算。

在C++98中模版元編程的集大成者的庫(kù)是boost.mpl和boost.fusion，boost.mpl主要提供了編譯期類(lèi)型容器和算法，boost.fusion通過(guò)異構(gòu)的編譯期容器融合編譯期和運(yùn)行期計(jì)算。

struct print{
template 
 void operator()(T const& x) const{
 std::cout << typeid(x).name() << std::endl;
 }
};
template 
void print_names(Sequence const& seq){
 for_each(filter_if<><_> >(seq), print());
}
boost::fusion::vector stuff(2018, 'i', 'purecpp');
print_names(stuff);
<_>

上面這個(gè)例子遍歷boost::fusion::vector異構(gòu)容器，打印其中的string類(lèi)型。

關(guān)于C++98模版元的書(shū)可以看《modern c++ design》和《c++ templates》。

Modern C++ metaprogramming編程思想

C++11中的元編程思想

Modern C++新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于元編程有著深刻的影響，一些新的編程思想和方法涌現(xiàn)，但總體趨勢(shì)是元編程變得更簡(jiǎn)單了。比如C++98中的add_pointer元函數(shù)，我們需要寫(xiě)一個(gè)模版類(lèi)：

而在C++11中我們只需要使用C++11的新特性模版別名就可以定義一個(gè)add_pointer元函數(shù)了，代碼變得更簡(jiǎn)潔了。

template using add_pointer = T*;
using int_pointer = add_pointer;

在C++11中，元函數(shù)由模版類(lèi)變?yōu)槟０鎰e名了。C++11中提供了大量元函數(shù)在type_traits庫(kù)中，這樣我們不用再自己寫(xiě)了，直接拿過(guò)來(lái)使用就行了。

C++11中另外的一個(gè)新特性variadic template可以作為一個(gè)類(lèi)型容器，我們可以通過(guò)variadic templates pack訪問(wèn)模版參數(shù)，不需要通過(guò)模版遞歸和特化來(lái)訪問(wèn)模版參數(shù)。

通過(guò)variadic template pack讓編譯器幫助我們?cè)L問(wèn)類(lèi)型，比C++98中通過(guò)模版遞歸和特化來(lái)訪問(wèn)類(lèi)型效率更高。

C++11中另外一個(gè)新特性constexpr也讓我們編寫(xiě)元函數(shù)變得更簡(jiǎn)單了。

在C++98中：

template  struct fact98 {
 static const int value = n * fact98::value;
};
template <> struct fact98<0> {
 static const int value = 1;
};
std::cout << fact98<5>::value << std::endl;

在C++11中：

我們不再需要通過(guò)模版特化和遞歸來(lái)做編譯期計(jì)算了，我們直接通過(guò)新的關(guān)鍵字constexpr來(lái)實(shí)現(xiàn)編譯期計(jì)算，它修飾一個(gè)函數(shù)，表明這個(gè)函數(shù)是在編譯期計(jì)算的，這個(gè)函數(shù)和一個(gè)普通函數(shù)看起來(lái)幾乎沒(méi)有分別，唯一的差別就是多了一個(gè)constexpr，比C++98的寫(xiě)法簡(jiǎn)單多了。

不過(guò)在C++11中constexpr的限制比較多，比如說(shuō)constexpr函數(shù)中只能是個(gè)表達(dá)式，無(wú)法使用變量，循環(huán)等語(yǔ)句，在C++14中就去掉這個(gè)限制了，讓我們可以更方便地寫(xiě)編譯期計(jì)算的函數(shù)了。

C++14中的元編程思想

//in c++11
constexpr int fact11(int n) {
 return n <= 1 ? 1 : (n * fact11(n - 1));
}
//in c++14
constexpr int fact14(int n) {
 int s = 1;
 for (int i = 1; i <= n; i++) { s = s * i; }
 return s;
}

可以看到在C++14中我們寫(xiě)constexpr編譯期計(jì)算的函數(shù)時(shí)，不必受限于表達(dá)式語(yǔ)句了，可以定義變量和寫(xiě)循環(huán)語(yǔ)句了，這樣也不用通過(guò)遞歸去計(jì)算了，直接通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句就可以得到編譯期計(jì)算結(jié)果了，使用起來(lái)更方便了。

在C++14中除了constexpr增強(qiáng)之外，更重要的幾個(gè)影響元編程思想的特性是constexpr, generic lambda, variable template。新標(biāo)準(zhǔn)、新特性會(huì)產(chǎn)生新的編程思想，在C++14里元編程的編程思想發(fā)生了重大的變化！

在2014年Louis Dionne用C++14寫(xiě)的一個(gè)叫Hana的元編程庫(kù)橫空出世，它的出現(xiàn)在C++社區(qū)引起震動(dòng)，因?yàn)樗捎玫姆椒ú辉偈墙?jīng)典的模版元的那一套方法了，是真正意義上的函數(shù)式編程實(shí)現(xiàn)的。模版元在概念上是函數(shù)式編程，而Hana是第一次在寫(xiě)法上也變成函數(shù)式編程了，這是C++元編程思想的一個(gè)重大改變。

Boost.Hana的編程思想

通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看Boost.Hana的編程思想：

這里我們定義了一個(gè)類(lèi)型的wraper，里面只有一個(gè)子類(lèi)型，接著定義這個(gè)wraper的變量模版，有了這個(gè)變量模版，我們就可以很方便的實(shí)現(xiàn)type-to-value和value-to-type了。

某個(gè)具體類(lèi)型的變量模版就代表一個(gè)值，通過(guò)decltype這個(gè)值就能得到變量模版的類(lèi)型了，有了這個(gè)變量模版，我們就可以通過(guò)Lambda寫(xiě)元函數(shù)了，這里的Lambda是C++14中的generic lambda，這個(gè)Lambda的參數(shù)就是一個(gè)變量模版值，在Lambda表達(dá)式中，我們可以對(duì)獲取值的sub type并做轉(zhuǎn)換，然后再返回變換之后的變量模版值。

template 
type_wrapper type{};
constexpr auto add_pointer = [](auto t) {
 using T = typename decltype(t)::type;
 return type<>>; //type to value
};
constexpr auto intptr = add_pointer(type);
static_assert(std::is_same_v); //value to type

這里的add_pointer元函數(shù)不再是一個(gè)模版類(lèi)或者模版別名了，而是一個(gè)Lambda表達(dá)式。這里面關(guān)鍵的兩個(gè)地方是如何把類(lèi)型變?yōu)橹岛桶阎底優(yōu)轭?lèi)型，通過(guò)C++14的變量模版就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)了。

Boost.Hana的目標(biāo)是通過(guò)類(lèi)型容器融合編譯期和運(yùn)行期計(jì)算，替代boost.mpl和boost.fusion！比如下面的例子：

我們既可以操作類(lèi)型容器中的類(lèi)型，又可以操作類(lèi)型容器中的運(yùn)行期的值，Hana可以幫我們很方便地融合編譯期與運(yùn)行期的計(jì)算。

Boost.Hana的特點(diǎn)：

• 元函數(shù)不再是類(lèi)或類(lèi)模版，而是lambda；
• 不再基于類(lèi)型，而是基于值；
• 沒(méi)有SFINAE，沒(méi)有模版遞歸；
• 函數(shù)式編程；
• 代碼更容易理解；
• 元編程變得更簡(jiǎn)單；
• 融合編譯期與運(yùn)行期。

以Boost.Hana為代表的元編程實(shí)現(xiàn)不再是經(jīng)典的type level的思想了，而是以C++14新特性實(shí)現(xiàn)的lambda level的函數(shù)式編程思想了。

C++17元編程思想

在C++17中，元編程得到了進(jìn)一步地簡(jiǎn)化，比如我們之前需要借助模版特化，SFINAE才能實(shí)現(xiàn)的編譯期選擇，現(xiàn)在通過(guò)if constexpr就可以很輕松的實(shí)現(xiàn)了。

在C++98中：

template
auto& get(person& p);
template<>
auto& get<0>(person& p) {
 return p.id;
}
template<>
auto& get<1>(person& p) {
 return p.name;
}
template<>
auto& get<2>(person& p) {
 return p.age;
}

在C++17中：

這里不再需要模版特化了，也不需要拆分成多個(gè)函數(shù)了，就像普通的if-else語(yǔ)句一樣寫(xiě)編譯期選擇的代碼，簡(jiǎn)潔易懂！

在C++14中：

template 
std::enable_if_t<>, std::string> to_string(T t){
 return t;
}
template 
std::enable_if_t, std::string> to_string(T t){
 return std::to_string(t);
}

在C++17中：

這里不再需要SFINAE了，同樣可以實(shí)現(xiàn)編譯期選擇，代碼更加簡(jiǎn)潔。

C++元編程的庫(kù)以這些庫(kù)為代表，這些庫(kù)代表了C++元編程思想不斷演進(jìn)的一個(gè)趨勢(shì)：

• C++98：boost.mpl，boost.fusion
• C++11：boost.mp11，meta，brigand
• C++14：boost.hana

從C++98到Modern C++，C++新標(biāo)準(zhǔn)新特性產(chǎn)生新的idea，讓元編程變得更簡(jiǎn)單更強(qiáng)大，Newer is Better!

Modern C++元編程應(yīng)用

編譯期檢查

元編程的一個(gè)典型應(yīng)用就是編譯期檢查，這也是元編程最簡(jiǎn)單的一個(gè)應(yīng)用，簡(jiǎn)單到用一行代碼就可以實(shí)現(xiàn)編譯期檢查。比如我們需要檢查程序運(yùn)行的系統(tǒng)是32位的還是64位的，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的assert就可以實(shí)現(xiàn)了。

static_assert(sizeof(void *) == 8, 'expected 64-bit platform');

當(dāng)系統(tǒng)為32位時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)編譯期錯(cuò)誤并且編譯器會(huì)告訴你錯(cuò)誤的原因。

這種編譯期檢查比通過(guò)#if define宏定義來(lái)檢查系統(tǒng)是32位還是64位好得多，因?yàn)楹甓x可能存在忘記寫(xiě)的問(wèn)題，并不能在編譯期就檢查到錯(cuò)誤，要到運(yùn)行期才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)候就太晚了。

再看一個(gè)例子：

在這個(gè)例子中，這個(gè)Matrix是非常安全的，完全不用擔(dān)心定義Matrix時(shí)行和列的值寫(xiě)錯(cuò)了，因?yàn)榫幾g器會(huì)在編譯期提醒你哪里寫(xiě)錯(cuò)了，而不是等到運(yùn)行期才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

除了經(jīng)常用staticassert做編譯期檢查之外，我們還可以使用enableif來(lái)做編譯期檢查。

struct A {
void foo(){}
 int member;
};
template
std::enable_if_t> foo(Function&& f) {
}
foo([] {}); //ok
foo(&A::foo); //compile error: no matching function for call to 'foo(void (A::*)())'

比如這個(gè)代碼，我們通過(guò)std::enableift來(lái)限定輸入?yún)?shù)的類(lèi)型必須為非成員函數(shù)，如果傳入了成員函數(shù)則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)編譯期錯(cuò)誤。

元編程可以讓我們的代碼更安全，幫助我們盡可能早地、在程序運(yùn)行之前的編譯期就發(fā)現(xiàn)bug，讓編譯器而不是人來(lái)幫助我們發(fā)現(xiàn)bug。

編譯期探測(cè)

元編程可以幫助我們?cè)诰幾g期探測(cè)一個(gè)成員函數(shù)或者成員變量是否存在。

我們借助C++17的void_t，就可以輕松實(shí)現(xiàn)編譯期探測(cè)功能了，這里實(shí)際上是利用了SFINAE特性，當(dāng)decltype(std::declval().foo())成功了就表明存在foo成員函數(shù)，否則就不存在。

通過(guò)編譯期探測(cè)我們可以很容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)AOP（Aspect Oriented Programming）功能，AOP可以通過(guò)一系列的切面幫我們把核心邏輯和非核心邏輯分離。

server.set_http_handler('/aspect', [](request& req, response& res) {
 res.render_string('hello world');
}, check{}, log_t{});

上面這段代碼的核心邏輯就是返回一個(gè)hello world，非核心邏輯就是檢查輸入?yún)?shù)和記錄日志，把非核心邏輯分離出來(lái)放到兩個(gè)切面中，不僅僅可以讓我們的核心邏輯保持簡(jiǎn)潔，還可以讓我們可以更專(zhuān)注于核心邏輯。

實(shí)現(xiàn)AOP的思路很簡(jiǎn)單，通過(guò)編譯期探測(cè)，探測(cè)切面中是否存在before或者after成員函數(shù)，存在就調(diào)用。

為了讓編譯期探測(cè)的代碼能復(fù)用，并且支持可變模版參數(shù)，我們可以寫(xiě)一個(gè)通用的編譯期探測(cè)的代碼：

#define HAS_MEMBER(member)\
template\
struct has_##member\
{\
private:\
 template static auto Check(int) -> decltype(std::declval().member(std::declval()...), std::true_type()); \
 template static std::false_type Check(...);\
public:\
 enum{value = std::is_same<>(0)), std::true_type>::value};\
};
HAS_MEMBER(before)
HAS_MEMBER(after)

具體代碼可以參考這里：https://github.com/qicosmos/feather。

注：這段宏代碼可以用c++20的std::is_detected替代，也可以寫(xiě)一個(gè)C++14/17的代碼來(lái)替代這個(gè)宏：

編譯期計(jì)算

編譯期計(jì)算包含了較多內(nèi)容，限于篇幅，我們重點(diǎn)說(shuō)一下類(lèi)型萃取的應(yīng)用：

• 類(lèi)型計(jì)算；
• 類(lèi)型推導(dǎo)；
• 類(lèi)型萃??；
• 類(lèi)型轉(zhuǎn)換；
• 數(shù)值計(jì)算：表達(dá)式模版，Xtensor，Eigen，Mshadow。

我們可以通過(guò)一個(gè)function_traits來(lái)萃取可調(diào)用對(duì)象的類(lèi)型、參數(shù)類(lèi)型、參數(shù)個(gè)數(shù)等類(lèi)型信息。

template
struct function_traits_impl{
public:
 enum { arity = sizeof...(Args) };
 typedef Ret function_type(Args...);
 typedef Ret result_type;
 using stl_function_type = std::function;
 typedef Ret(*pointer)(Args...);
 template
 struct args{
 static_assert(I < arity, 'index is out of range, index must less than sizeof Args');
 using type = typename std::tuple_element>::type;
 };
 typedef std::tuple<><>>...> tuple_type;
 using args_type_t = std::tuple;
};
<>

完整代碼可以參考這里：https://github.com/qicosmos/cinatra。

有了這個(gè)function_traits之后就方便實(shí)現(xiàn)一個(gè)RPC路由了，以rest_rpc為例（https://github.com/qicosmos/rest_rpc）：

RPCServer注冊(cè)了兩個(gè)服務(wù)函數(shù)add和translate，客戶端發(fā)起RPC調(diào)用，會(huì)傳RPC函數(shù)的實(shí)際參數(shù)，這里需要把網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)來(lái)的字節(jié)映射到一個(gè)函數(shù)并調(diào)用，這里就需要一個(gè)RPC路由來(lái)做這個(gè)事情。下面是RestRPC路由的實(shí)現(xiàn)：

template
void register_nonmember_func(std::string const& name, const Function& f) {
 this->map_invokers_[name] = { std::bind(&invoker::apply, f, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3) };
}
template
struct invoker {
 static void apply(const Function& func, const char* data, size_t size,
std::string& result) {
 using args_tuple = typename function_traits::args_tuple;
 msgpack_codec codec;
 auto tp = codec.unpack(data, size);
 call(func, result, tp);
 }
};

RPCServer注冊(cè)RPC服務(wù)函數(shù)的時(shí)候，函數(shù)類(lèi)型會(huì)保存在invoker中，后面收到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)的時(shí)候，我們通過(guò)functiontraits萃取出函數(shù)參數(shù)對(duì)應(yīng)的tuple類(lèi)型，反序列化得到一個(gè)實(shí)例化的tuple之后就可以借助C++17的std::apply實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用了。詳細(xì)代碼可以參考rest_rpc。

編譯期反射

通過(guò)編譯期反射，我們可以得到類(lèi)型的元數(shù)據(jù)，有了這個(gè)元數(shù)據(jù)之后我們就可以用它做很多有趣的事情了。可以用編譯期反射實(shí)現(xiàn)：

• 序列化引擎；
• ORM；
• 協(xié)議適配器。

以序列化引擎iguana（https://github.com/qicosmos/iguana）來(lái)舉例，通過(guò)編譯期反射可以很容易的將元數(shù)據(jù)映射為json、xml、msgpack或其他格式的數(shù)據(jù)。

以O(shè)RM引擎（https://github.com/qicosmos/ormpp）舉例，通過(guò)編譯期反射得到的元數(shù)據(jù)可以用來(lái)自動(dòng)生成目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL語(yǔ)句：

ormpp::dbng mysql;
ormpp::dbng sqlite;
ormpp::dbng postgres;
mysql.create_datatable();
sqlite.create_datatable();
postgres.create_datatable();

反射將進(jìn)入C++23標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)的C++標(biāo)準(zhǔn)中的反射將更強(qiáng)大和易用。

融合編譯期和運(yùn)行期

運(yùn)行期和編譯期存在一個(gè)巨大的鴻溝，而在實(shí)際應(yīng)用中我需要融合編譯期與運(yùn)行期，這時(shí)候就需要一個(gè)橋梁來(lái)連接編譯期與運(yùn)行期。編譯期和運(yùn)行期從概念上可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為分別代表了type和value，融合的關(guān)鍵就是如何實(shí)現(xiàn)type to value以及value to type。

Modern C++已經(jīng)給我們提供了便利，比如下面這個(gè)例子：

我們可以很方便地將一個(gè)值變?yōu)橐粋€(gè)類(lèi)型，然后由通過(guò)類(lèi)型獲得一個(gè)值。接下來(lái)我們來(lái)看一個(gè)具體的例子：如何根據(jù)一個(gè)運(yùn)行時(shí)的值調(diào)用一個(gè)編譯期模版函數(shù)？

template
void fun() {}
void foo(int n) {
 switch (n){
 case 0:
 fun<0>();
 break;
 case 1:
 fun<1>();
 break;
 case 2:
 fun<2>();
 break;
 default:
 break;
 }
}

這個(gè)代碼似乎很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)從運(yùn)行期數(shù)值到編譯期模版函數(shù)調(diào)用。但是如果這個(gè)運(yùn)行期數(shù)值越來(lái)越大的時(shí)候，我們這個(gè)switch就會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，還存在寫(xiě)錯(cuò)的可能，比如調(diào)用了foo(100)，那這時(shí)候真的需要寫(xiě)100個(gè)switch-case嗎？所以這個(gè)寫(xiě)法并不完美。

我們可以借助tuple來(lái)比較完美地解決這個(gè)問(wèn)題：

通過(guò)一個(gè)tuple_switch就可以通過(guò)運(yùn)行期的值調(diào)用編譯期模版函數(shù)了，不用switch-case了。關(guān)于之前需要寫(xiě)很長(zhǎng)的switch-case語(yǔ)句的問(wèn)題，也可以借助元編程來(lái)解決：

template
auto make_tuple_from_sequence(std::index_sequence)->decltype(std::make_tuple(Is...)) {
 std::make_tuple(Is...);
}
template
constexpr auto make_tuple_from_sequence()->decltype(make_tuple_from_sequence(std::make_index_sequence{})) {
 return make_tuple_from_sequence(std::make_index_sequence{});
}
void foo(int n) {
 decltype(make_tuple_from_sequence<100>()) tp; //std::tuple
 tuple_switch(n, tp, [](auto item) {
 constexpr auto I = decltype(item)::value;
 fun();
 });
}
foo(98);
foo(99);

這里的decltype(maketuplefrom_sequence<100>())會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)有100個(gè)int的tuple輔助類(lèi)型，有了這個(gè)輔助類(lèi)型，我們完全不必要去寫(xiě)長(zhǎng)長(zhǎng)的switch-case語(yǔ)句了。

有人也許會(huì)擔(dān)心，這里這么長(zhǎng)的tuple會(huì)不會(huì)生成100個(gè)Lambda實(shí)例化代碼？這里其實(shí)不用擔(dān)心，因?yàn)榫幾g器可以做優(yōu)化，優(yōu)化的情況下只會(huì)生成一次Lambda實(shí)例化的代碼，而且實(shí)際場(chǎng)景中不可能存在100個(gè)分支的代碼。

接口的泛化與統(tǒng)一

元編程可以幫助我們?nèi)诤系讓赢悩?gòu)的子系統(tǒng)、屏蔽接口或系統(tǒng)的差異、提供統(tǒng)一的接口。

以O(shè)RM為例：

MySQL connect

PostgreSQL connect

PQconnectdb('host=localhost user=127.0.0.1 password=2018 dbname=testdb');

Sqlite connect

ORM unified connect interface

ORM::mysql.connect('127.0.0.1', “feather', “2018', 'testdb');
ORM::postgres.connect('127.0.0.1', “feather', “2018', 'testdb');
ORM::sqlite.connect('testdb');

不同的數(shù)據(jù)庫(kù)的C connector相同功能的接口是完全不同的，ormpp庫(kù)（https://github.com/qicosmos/ormpp）要做的一件事就是要屏蔽這些接口的差異，讓用戶可以試用統(tǒng)一的接口來(lái)操作數(shù)據(jù)庫(kù)，完全感受不到底層數(shù)據(jù)庫(kù)的差異。

元編程可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，具體思路是通過(guò)可變參數(shù)模版來(lái)統(tǒng)一接口，通過(guò)policy-base設(shè)計(jì)和variadic templates來(lái)屏蔽數(shù)據(jù)庫(kù)接口差異。

這里通過(guò)connect(Args... args)統(tǒng)一連接數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，然后再connect內(nèi)部通過(guò)if constexpr和變參來(lái)選擇不同的分支。if constexpr加variadic templates等于靜態(tài)多態(tài)，這是C++17給我們提供的一種新的實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)方法。

這樣的好處是可以通過(guò)增加參數(shù)或修改參數(shù)類(lèi)型方式來(lái)擴(kuò)展接口，沒(méi)有繼承，沒(méi)有SFINAE，沒(méi)有模版特化，簡(jiǎn)單直接。

消除重復(fù)（宏）

很多人喜歡用宏來(lái)減少手寫(xiě)重復(fù)的代碼，比如下面這個(gè)例子，如果對(duì)每個(gè)枚舉類(lèi)型都寫(xiě)一個(gè)寫(xiě)到輸出流里的代碼段，是重復(fù)而繁瑣的，于是就通過(guò)一個(gè)宏來(lái)消除這些重復(fù)代碼（事實(shí)上，這些重復(fù)代碼仍然會(huì)生成，只不過(guò)由編譯器幫助生成了）。

#define ENUM_TO_OSTREAM_FUNC(EnumType) \
 std::ostream& operator<<(std::ostream& out_stream, const EnumType& x) { \
 out_stream << static_cast(x); \ 
 return out_stream; \ 
 }
enum class MsgType { Connected, Timeout };
enum class DataType {Float, Int32};
ENUM_TO_OSTREAM_FUNC(MsgType);
ENUM_TO_OSTREAM_FUNC(DataType);

這看似是使用宏的合適場(chǎng)景，但是宏最大的問(wèn)題是代碼無(wú)法調(diào)試，代碼的易讀性差，但是用元編程，我們不用寫(xiě)這個(gè)宏了，也不用去寫(xiě)宏定義了。

元編程比宏更好地解決了問(wèn)題。

再看一個(gè)宏的例子：

#define CALL(name, ...) \
 do { \
 result ret = func(name); \
 if (ret == 0) { \
 __VA_ARGS__; \
 do_something(name); \
 } \
 else { \
 do_something (name); \
 } \
 } while (0)
CALL('root', func1(root_path));
CALL('temp', func2(temp_path));

這也是宏使用的一個(gè)典型場(chǎng)景——復(fù)用代碼段。當(dāng)很多代碼段都是類(lèi)似的時(shí)候，只有一點(diǎn)點(diǎn)代碼不同，那么就可以通過(guò)宏來(lái)避免手寫(xiě)這些重復(fù)代碼。上面這個(gè)宏把不同的代碼段func1(rootpath)，func2(temppath)作為參數(shù)傳進(jìn)來(lái)，從而復(fù)用這個(gè)代碼段。

我們可以通過(guò)一個(gè)泛型函數(shù)來(lái)替換這個(gè)宏：

事實(shí)上大部分宏能做的，元編程能做得更好、更完美！

接口易用和靈活性

還是以rest_rpc為例，我們可以注冊(cè)任意類(lèi)型的RPC函數(shù)，不管參數(shù)個(gè)數(shù)和類(lèi)型是否相同、返回類(lèi)型是否相同，這讓我們的注冊(cè)接口非常易用和靈活。

struct dummy{
 int add(connection* conn, int a, int b) { return a + b; }
};
int add(connection* conn, int a, int b) { return a + b; }
rpc_server server(8080, 4);
dummy d;
server.register_handler('a', &dummy::add, &d);
server.register_handler('b', add);
server.register_handler('c', [](connection* conn) {});
server.register_handler('d', [](connection* conn, std::string s) {
 return s;
});

這里我們使用元編程幫我們擦除了函數(shù)類(lèi)型：

typename Function做了類(lèi)型擦除，typename functiontraits::argstuple幫我們還原了類(lèi)型。

再來(lái)看另外一個(gè)例子，cinatra（https://github.com/qicosmos/cinatra）注冊(cè)路由函數(shù)的例子:

server.set_http_handler('/a', &person::foo);
server.set_http_handler('/b', &person::foo, log_t{});
server.set_http_handler('/c', &person::foo, log_t{}, check{});
server.set_http_handler('/d', &person::foo, log_t{}, check{}, enable_cache{ false });
server.set_http_handler('/e', &person::foo, log_t{}, enable_cache{ false }, check{});
server.set_http_handler('/f', &person::foo, enable_cache{ false }, log_t{}, check{});

這個(gè)例子中，用戶可以增加任意切面，還可以增加緩存參數(shù)，切面和緩存參數(shù)的順序可以是任意的，這樣完全消除了用戶使用接口時(shí)需需要注意參數(shù)順序的負(fù)擔(dān)，完全是自由靈活的。這里并沒(méi)有使用多個(gè)重載函數(shù)做這個(gè)事情，而是借助元編程，把緩存參數(shù)過(guò)濾出來(lái)，這樣就可以無(wú)視外面?zhèn)魅雲(yún)?shù)的順序了。

過(guò)濾參數(shù)的代碼如下：

這里通過(guò)C++17的std::disjunction來(lái)判斷是否存在某個(gè)類(lèi)型，通過(guò)if constexpr實(shí)現(xiàn)編譯期選擇。

總結(jié)

C++新標(biāo)準(zhǔn)給元編程帶來(lái)了巨大的改變，不僅僅讓元編程變得簡(jiǎn)單好寫(xiě)了，還讓它變得更加強(qiáng)大了，幫助我們優(yōu)雅地解決了很多實(shí)際的問(wèn)題。文中列舉到的元編程應(yīng)用僅僅是冰山一角，還有很多其他方面的應(yīng)用。