Скотт Майерс - Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ

Аналогом программы «Hello World» на TMP является вычисление факториала во время компиляции. Конечно, она, как и «Hello World», не поразит воображение, но обе полезны для демонстрации базовых возможностей языка. Вычисление факториала с помощью TMP сводится к последовательности рекурсивных конкретизаций шаблона. Кроме того, демонстрируется один из способов создания и использования переменных в TMP. Смотрите:

template // общий случай: значение Factorial – это

struct Factorial { // произведение n и Factorial

enum { value = n*Factorial::value };

};

template<> // частный случай: значение Factorial<0> –

struct Factorial<0> { // это 1

enum { value = 1 };

};

Имея такую шаблонную метапрограмму (на самом деле просто единственную шаблонную метафункцию Factorial), вы получаете значение факториала n, обращаясь к Factorial::value.

Циклическая часть кода возникает там, где конкретизация шаблона Factorial ссылается на конкретизацию шаблона Factorial. Как во всякой рекурсивной программе, здесь есть особый случай, прекращающий рекурсию. В данном случае это специализация шаблона Factorial<0>.

Каждая конкретизация шаблона Factorial является структурой struct, и в каждой структуре используется «трюк с перечислением» (см. правило 2) для объявления переменной TMP с именем value. В переменной value хранится текущее значение факториала. Если бы в TMP были настоящие циклы, то значение value обновлялось бы на каждой итерации цикла. Но поскольку в TMP место циклов заменяет рекурсивная конкретизация шаблонов, то каждая конкретизация получает свою собственную копию value, и значение копии соответствует «итерации цикла».

Использовать Factorial можно следующим образом:

int main()

{

std::cout << Factorial<5>::value; // печатается 120

std::cout << Factorial<10>::value; // печатается 3628800

}

Если вы находите описанный прием элегантным, значит, вы стали на путь превращения в метапрограммиста шаблонов. Если же все эти шаблоны, специализации, рекурсивные конкретизации, трюк с перечислением и необходимость набирать нечто вроде Factorial::value не вызывают у вас восторга, стало быть, вы вполне нормальный программист C++.

Конечно, шаблон Factorial в такой же мере демонстрирует полезность TMP, как «Hello World» – полезность любого обычного языка программирования. Чтобы понять, почему о TMP стоит знать, важно представлять себе, чего можно достичь с помощью этой технологии. Вот три примера:

• Обеспечение корректности единиц измерения.В научных и инженерных приложениях важно, чтобы единицы измерения (например, массы, расстояния, времени и т. п.) правильно сочетались. Присваивание переменной, представляющей массу, значения переменной, представляющей скорость, – это ошибка, но деление переменной расстояния на переменную времени и присваивание результата переменной скорости правильно. Используя TMP, можно обеспечить (во время компиляции), что все комбинации единиц измерения в программе будут корректны, независимо от того, насколько сложны вычисления. (Это пример того, как можно использовать TMP для ранней диагностики ошибок.) Одним интересным аспектом такого использования TMP может быть поддержка вычисления дробных степеней. Смысл в том, чтобы дроби сокращались во время компиляции, то есть чтобы компилятор мог подтвердить, например, что единица времени в степени 1/2 – это то же самое, что единица времени в степени 4/8.

• Оптимизация операций с матрицами.В правиле 21 объясняется, что некоторые функции, включая operator*, должны возвращать новые объекты, а в правиле 44 представлен класс SquareMatrix, поэтому рассмотрим такой код:

typedef SquareMatrix BigMatrix;

BigMatrix m1, m2, m3, m4, m5; // создать матрицы

... // и присвоить им значения

BigMatrix result = m1 * m2 * m3 * m4 * m5; // вычислить произведение

Вычисление result «нормальным» способом приводит к созданию четырех временных матриц, по одной для каждого вызова operator*. Более того, независимые операции умножения порождают последовательность из четырех циклов по элементам матрицы. Но применение передовой шаблонной технологии, тесно связанной с TMP и получившей название шаблоны выражений (expression templates), позволяет избежать создания временных объектов и объединить циклы, причем все это без изменения приведенного выше пользовательского кода. В результате программа требует меньше памяти и выполняется значительно быстрее.