一、模板元编程
模板元编程（Template Metaprogramming）是一种 C++ 编程技术，其主要手段是利用模板来实现在编译时执行计算。这种方法的优点是，通过在编译阶段完成部分工作，可以提高运行时的效率。
在模板元编程中，我们常常使用类型（type）来表示值（value），并通过模板特化或者模板函数的重载来实现不同的操作。 比如说，我们可以定义一个模板类 Factorial<3>，然后通过特化这个模板，使得 Factorial<3>::value 在编译时就等于 6。这是一个非常简单的模板元编程的例子，但是可以想象出来，这种技术在实现更复杂的编译时计算或者类型检查时可能会非常有用。
简而言之，模板元编程是一种强大的 C++ 编程技术，它可以让我们在编译时完成更多的工作，提高程序的运行效率，增强代码的可读性和可维护性。
二、std::integral_constant 解析
类型特性（Type Traits）在模板元编程中发挥了重要的作用，可以说它们是模板元编程的基础工具。
类型特性见 C++ type_traits
而实现类型特性的一个关键就是 std::integral_constant：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
template<typename _Tp, _Tp __v>
struct integral_constant
{
static constexpr _Tp value = __v;
typedef _Tp value_type;
typedef integral_constant<_Tp, __v> type;
constexpr operator value_type() const noexcept { return value; }
constexpr value_type operator()() const noexcept { return value; }
};
|
std::integral_constant 是 C++ 标准库中定义的一个模板类。它的主要作用是将整数值作为类型的一部分进行编译。从字面上理解，它是一个”积分常数”，用于编译期间的常数表达。
其中，typedef T value_type;和typedef integral_constant type;分别用来定义 value 的类型以及 integral_constant 本身的类型。
然后，它还提供了两个转换函数，一个是constexpr operator value_type() const noexcept，可以将std::integral_constant 对象隐式转换为T类型的值；另一个是constexpr value_type operator()() const noexcept，可以将 std::integral_constant 对象当作函数来调用，并返回其内部保存的常量。
通过这样的设计，std::integral_constant 能够让我们在编译期间就能确定某些值，从而提高代码的效率。同时，因为它包含了值类型的信息，我们还可以根据这个信息进行编程，提高代码的灵活性。
std::integral_constant 使用示例：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
| int main()
{
cout << integral_constant<int, 2>::value << endl;
using Test = integral_constant<int, 5>;
Test test;
int a = Test::value;
int b = test.value;
int c = test;
int d = test();
printf("%d %d %d %d\n", a, b, c, d);
return 0;
}
|
三、类型特性的核心实现
自定义类型特征：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
| #include <type_traits>
template<typename T>
struct is_void : std::false_type {};
template<>
struct is_void<void> : std::true_type {};
template<typename T>
inline constexpr bool is_void_v = is_void<T>::value;
template<typename T>
struct is_integral_impl : std::false_type {};
template<> struct is_integral_impl<bool> : std::true_type {};
template<> struct is_integral_impl<char> : std::true_type {};
template<> struct is_integral_impl<short> : std::true_type {};
template<> struct is_integral_impl<int> : std::true_type {};
template<> struct is_integral_impl<long> : std::true_type {};
template<> struct is_integral_impl<long long> : std::true_type {};
template<typename T>
struct is_integral : is_integral_impl<T> {};
template<typename T>
inline constexpr bool is_integral_v = is_integral<T>::value;
|
下面以几个常用类型特征的实现为例。
3.1 std::true_type、std::false_type
std::integral_constant 的两个最常用的特化版本是 std::true_type 和 std::false_type。它们都是 std::integral_constant 的特化版本。
1
2
| using false_type = integral_constant<bool, false>;
using true_type = integral_constant<bool, true>;
|
当你继承自 std::false_type，你实际上是继承自一个已经特化的 integral_constant，它的 value 成员已经被设置为 false。因此，任何继承自 std::false_type 的类型都将有一个静态常量成员 value，其值为 false。
同理，继承自 std::true_type 的类型将有一个值为 true 的静态常量成员 value。
std::false_type 和 std::true_type 主要用于在编译时为类型提供一种简单的 true 或 false 标签。这在模板特化、SFINAE 技巧和其他模板编程技术中非常有用。
例：
1
2
3
4
| template <typename T>
struct is_pointer : std::false_type {};
template <typename T>
struct is_pointer<T*> : std::true_type {};
|
上面的代码定义了一个 is_pointer 类型特性，它用于在编译时判断一个类型是否为指针。这样我们就是可以通过 is_pointer<T>::value 来判断 T 是否是指针类型。对于大多数类型，它返回 false（因为大多数类型不是指针），但对于指针类型，它返回 true。这是通过模板特化实现的。
在模板元编程中，很多类型特性都返回一个类型而不是一个值。std::true_type 和 std::false_type 为我们提供了一种统一的方式来表示编译时的布尔值。
在使用 std::true_type 和 std::false_type 时，一种常见的模式是定义一个名为 type 的内部类型，然后让 type 成为 std::true_type 或 std::false_type：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
| template <typename T>
struct is_integral {
typedef std::false_type type;
};
template <>
struct is_integral<int> {
typedef std::true_type type;
};
template <>
struct is_integral<long> {
typedef std::true_type type;
};
......
|
这种模式的优点是，我们可以使用 typename is_integral::type 来获得一个代表 T 是否为整数的类型标签，而不仅仅是一个布尔值。这样，我们就可以在模板元编程中使用类型推导和特化来进行更复杂的操作。
例如，我们可以使用 typename is_integral::type 来选择不同的函数实现：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
| template <typename T>
void print(const T& val, std::true_type) {
std::cout << "Integral: " << val << std::endl;
}
template <typename T>
void print(const T& val, std::false_type) {
std::cout << "Not integral: " << val << std::endl;
}
template <typename T>
void print(const T& val) {
print(val, typename is_integral<T>::type());
}
|
在这个例子中，我们定义了两个 print 函数，一个接受 std::true_type，另一个接受 std::false_type。然后，我们定义了一个 print 函数模板，它会根据 T 是否为整型来选择正确的 print 函数。这样，我们就可以根据类型的特性在编译期选择不同的函数实现，从而实现编译期的多态。
3.2 std::is_integral
在 C++ 中，整型类型包括了 bool 类型、字符类型和整数类型。那么，如何在编译时判断一个类型是否为整型类型呢？答案就是使用 std::is_integral。
std::is_integral 是一个模板类，作用是在编译期确定传入的类型参数是否为整型。它在 头文件中定义，其基础定义如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
| template<typename>
struct __is_integral_helper
: public false_type { };
template<>
struct __is_integral_helper<bool>
: public true_type { };
template<>
struct __is_integral_helper<char>
: public true_type { };
template<>
struct __is_integral_helper<int>
: public true_type { };
...
template<>
struct __is_integral_helper<long long>
: public true_type { };
template<>
struct __is_integral_helper<unsigned long long>
: public true_type { };
template<typename _Tp>
struct is_integral
: public __is_integral_helper<__remove_cv_t<_Tp>>::type
{ };
|
实际上，std::is_integral 不仅仅对 int 进行了特化，还对 bool、char、wchar_t、char16_t、char32_t，以及它们的有无符号形式、各种长度的整数类型进行了特化。
使用 std::is_integral 可以在编译时期进行类型检查，例如：
1
| static_assert(std::is_integral<int>::value, "Not an integral type");
|
这行代码会在编译时检查 int 是否为整型，如果是，则编译可以通过；如果不是，则会报错。
std::is_integral 在模板元编程中有很多应用，它可以在编译时判断模板参数是否为整型，从而对不同类型进行不同的处理。这在泛型编程和模板特化中非常有用。
下面是一个简单的示例，展示了如何使用 std::is_integral 来对整型和非整型参数进行不同处理：
1
2
3
4
5
6
7
8
| template <typename T>
void func(T t) {
if constexpr (std::is_integral<T>::value) {
std::cout << "Integral type\n";
} else {
std::cout << "Non-integral type\n";
}
}
|