テンプレートメタプログラミング

メタプログラミングは、プログラムのプログラミングです。 C++ は、コンパイル時にメタプログラミングを適用します。 C++98 でテンプレートメタプログラミングを使用して開始され、C++11 で型特性ライブラリを使用して形式化され、C++11 以降は着実に改善されています。主な原動力は定数式です。この投稿では、そのルーツについて書きたいと思います。

テンプレートメタプログラミングについて書く意図は、そのテクニックを分かりやすく説明することです。このわかりやすい説明は、型特性ライブラリの機能をよりよく理解するのに役立ち、特に constexpr を高く評価します。 .テンプレートメタプログラミングの悪い評判のほとんどは、膨大な長さのエラーメッセージが表示される可能性があることです。テンプレートメタプログラミングは設計されたものではなく、偶然に始まりました。

事故

1994 年、Siemens の Erwin Unruh は、C++ 委員会の会合で、コンパイルされないプログラムを発表しました。これはおそらく、コンパイルに成功しなかった最も有名なプログラムです。

// Prime number computation by Erwin Unruh
template <int i> struct D { D(void*); operator int(); };

template <int p, int i> struct is_prime {
 enum { prim = (p%i) && is_prime<(i > 2 ? p : 0), i -1> :: prim };
 };

template < int i > struct Prime_print {
 Prime_print<i-1> a;
 enum { prim = is_prime<i, i-1>::prim };
 void f() { D<i> d = prim; }
 };

struct is_prime<0,0> { enum {prim=1}; };
struct is_prime<0,1> { enum {prim=1}; };
struct Prime_print<2> { enum {prim = 1}; void f() { D<2> d = prim; } };
#ifndef LAST
#define LAST 10
#endif
main () {
 Prime_print<LAST> a;
 }

Erwin Unruh は Metaware Compilers を使用しましたが、このプログラムは C++ では有効ではなくなりました。著者による新しいバリアントはこちらです。では、なぜこの番組が有名になったのでしょうか。 type を txpe と記述した元のエラーメッセージを見てみましょう。

重要な部分を赤でハイライトしました。パターンがわかると思います。プログラムは、コンパイル時に最初の素数を 30 まで計算します。これは、テンプレートのインスタンス化を使用して、コンパイル時に計算を行うことができることを意味します。それはさらに良いです。テンプレートメタプログラミングはチューリング完全であるため、あらゆる計算問題の解決に使用できます。 (もちろん、再帰インスタンス化の深さ (C++11 では少なくとも 1024) とテンプレートのインスタンス化中に生成される名前の長さにより、いくつかの制限が生じるため、チューリング完全性はテンプレートメタプログラミングの理論上のみ成立します。)

魔法の仕組み

何が起こっているのかを段階的に分解してみましょう。

コンパイル時の計算

数値の階乗を計算することは、テンプレートメタプログラミングの「Hello World」です。

// factorial.cpp

#include <iostream>

template <int N> // (2)
struct Factorial{
 static int const value = N * Factorial<N-1>::value;
};

template <> // (3)
struct Factorial<1>{
 static int const value = 1;
};

int main(){
 
 std::cout << '\n';
 
 std::cout << "Factorial<5>::value: " << Factorial<5>::value << '\n'; // (1)
 std::cout << "Factorial<10>::value: " << Factorial<10>::value << '\n'; // (4)
 
 std::cout << '\n';

}

呼び出し factorial<5>::value 行 (1) では、行 (2) でプライマリテンプレートまたは一般テンプレートがインスタンス化されます。このインスタンス化の間、Factorial<4>::value インスタンス化されます。この再帰は、完全に特殊化されたクラステンプレート Factorial<1> の場合に終了します。ラインでキックします（3）。たぶん、あなたはそれがより絵のようなものを好むでしょう.

プログラムの出力は次のとおりです。

C++ Insights と Compiler Explorer のおかげで、プログラムをさらに分析することができます。これは、テンプレートのインスタンス化とテンプレートのメタプログラミングに関する直感を構築するのに役立ちます。

C++ インサイトから始めましょう:

C++ インサイト

コール Factorial<5>::value (行 1) は、5 から 2 までの数字のクラステンプレートのインスタンス化を引き起こします。1 の完全な特殊化は既に利用可能です。呼び出し Factorial<10>::value (行 2) 10 から 6 の数字の関数テンプレートのインスタンス化を引き起こします。これは、他のすべての完全に特殊化された関数テンプレートが既に使用可能であるためです。次の出力は、5 から 2 までの数値のインスタンス化を示しています。