C++模板元编程初探

这篇博客，主要是为了记一下当初看到C++模板元编程时的震惊程度。

在看Effective C++的时候，条款48，其中有这样一个例子：

template<unsigned n>
struct Factorial {
    enum {
        value = n * Factorial<n-1>::value
    };
};

template<>
struct Factorial<0> {
    enum {
        value = 1
    };
};

int main() {
    std::cout << Factorial<5>::value;
    std::cout << Factorial<10>::value;
}

这个例子初看很简单，只是一个递归求阶乘的小程序。但和一般的求阶乘的程序有什么区别呢？区别很小，但也很大：普通的程序的阶乘运算发生在运行阶段，而这个程序的阶乘运算发生在编译阶段！！

在模板类 Factorial<n> 中，定义了一个枚举，枚举的 value 成员值定义为 n 和 Factorial<n-1>::value 的乘积；而且对模板参数 n = 0 的情况进行了特化，其value为1。实际上这是一个递归终止的条件。

在编译器编译到 Factorial<5> 这个表达式的时候，由于递归调用，它会先编译 Factorial<4> ，然后继续编译 Factorial<3> ……
直到特化后的 Factorial<0> 。所以，在编译完程序之后， Factorial<5>::value 的值就已经确定，在运行的时候，程序直接输出结果，没有任何计算过程。

记得曾经，同事跟我聊天的时候，有聊到说C++的模板编程可以使运算在编译时发生，而不在运行时发生，但当时他没举具体例子。我当时以为他在吹牛，在我看来，C++模板只不过是为了泛化一些数据结构而已，所以我当时也没太在意。现在看来，是我太孤陋寡闻了。实际上，C++模板元编程是图灵完备的，可以将其看成是一种单独的编程语言，只不过它的运行环境是编译器，输出是普通的C++程序。

但C++模板元编程也不是没有缺点，列举几个如下：

1. 产生多余的代码，导致可执行程序体积增大（这个问题因编译器而定，好的编译器会进行优化）
2. 编译速度慢
3. 编译出错信息几乎无法理解（注意：是“无法理解”，不是“难以理解”或者“不好理解”）