遞迴之美 － Loki庫TypeList原始碼剖析 (轉)

對於遞迴，大家肯定都不陌生，使用遞迴方法給出的解決方案總是顯得非常的優雅、簡潔。不過遞迴方法所適合解決的問題應該符合下面的條件：

如果一個問題符合上述的三個條件，我們就可以使用遞迴的方法。首先我們定義一套解決問題的規則，接著縮小問題的規模並應用同樣的規則直到達到結束條件，然後結果層層返回直到原始問題。著名的漢諾塔問題就是一個典型的遞迴問題，如果不使用遞迴方法，解決漢諾塔問題就會顯得非常的複雜，晦澀。

我們在使用遞迴方法設計時，這個遞迴過程的總是在執行期間進行的。本文所介紹的TypeList的實現中，遞迴的是在編譯期間進行的，那麼在編譯期間如何定義每次遞迴的返回結果，如何定義結束條件呢？其中主要使用了下面將要介紹的模板特化、偏特化以及型別萃取技術。

什麼是模板的特化、偏特化呢？大致的意思為：如果一個template擁有一個或者一個以上的template引數，我們可以針對其中一個或者多個引數進行特化處理（如果全部進行特化處理就是全特化，否則就是偏特化，切記：模板只能進行全特化，不能進行部分特化）。也就是說，我們可以提供一個特別版本，符合泛化條件，但是其中某些（全部）template引數已經由實際型別或者數值取代。

假設我們有一個class template定義如下：

template

class C { … };

對於模板的偏特化，剛剛接觸可能會存在一些誤解：以為模板的偏特化版本一定是對template引數U或者V或者T（或者它們的任意組合）指定某個引數值。其實不是這樣的，所謂模板的偏特化是指另外提供一份template的定義，它的具體含義可以和通用的template定義版本無關。在一個偏特化版本中，template 引數的個數並不需要吻合通用的 template 中的個數。然而，出現於於class 名稱之後的引數個數必須吻合通用的 template 的引數個數。下面舉一個簡單的例子進行說明：

template

class C { … };

這個泛型版本允許T為任意的型別。它的一個偏特化版本如下：

template

class C { … };

這個偏特化版本僅適用於T為原生指標型別的情況。

當我們使用C去定義一個變數時，會自動使用泛型版本，如果使用C去定義一個變數時，編譯器就會自動使用偏特化的版本。有了這個利器，我們就可以解決在編譯期間定義遞迴的結束條件的問題。

型別萃取技術是泛型中的一個常用技術，它的思維核心為：把一系列與型別相關的性質包裹於單一的class 之內，這樣我們就可以在編譯期間獲取一些所需要的和該型別相關的東西。其實這個思路就是領域一句著名的諺語：“任何事情都可以透過新增額外的中間層次得以解決”的又一次體現。透過把一系列想得到的型別相關的資訊封裝在另外一個型別定義中，這樣就可以以一致的方式來對這些型別進行處理，提供了強大的可複用性和靈活性。

型別萃取技術一般都和模板的特化、偏特化技術結合在一起運用，這樣它們就可以互相補充發揮出巨大的威力。下面簡單舉一個例子來了解一下型別萃取技術。

我們來看看Boost庫中一個簡單的template class is_pointer的實現。我們需要一個主版本，用來處理T不為指標的所有情況，以及一個偏特化版本，用來處理T是指標的情況：

template

struct is_pointer

{ static const bool value = false; };

template

struct is_pointer

{ static const bool value = true; };

一個簡單的示例如下：

template

void Func(T param)

{

// do something

//do something

…

}

透過型別萃取技術，我們就可以在編譯期間保留每次遞迴的結果，供遞迴返回時使用。

關於這些技術的更多、更深入的介紹，請讀者自行參考相關資料，不在此贅述。在下面的原始碼剖析中，讀者將會看到這些技術的實際運用。

為了能夠一致的進行TypeList的操作，在Loki庫中定義了一個空型別NullType來標記一個TypeList的結束，NullType和TypeList的定義如下：

class NullType { };

template

struct Typelist

{

typedef T Head;

typedef U Tail;

};

對於規範型TypeList的定義採用了一種尾遞迴的方法：

Loki庫中所採用的TypeList均為規範型的TypeList，這樣可以在不減少靈活性的前提下簡化對於TypeList的操作。本文後面所指的TypeList均為規範型的。

如何定義一個TypeList呢？比如：包含：char、int、long三個元素的TypeLsit。根據上面的定義，可以得到如下的定義形式：

TypeList > >; // 注意兩個>間一定要加一個空格，不

這樣的定義方法顯得比較麻煩、羅嗦，為了簡化對於TypeList的使用，Loki庫中採用了宏定義的方式對於大小在1～50的TypeList進行了預定義：

#define TYPELIST_1(T1) ::Loki::Typelist

#define TYPELIST_2(T1, T2) ::Loki::Typelist

#define TYPELIST_3(T1, T2, T3) ::Loki::Typelist

…

依此類推。

這樣使用者在使用起來就會比較方便一些。

瞭解了TypeList的定義，這裡我們將對於TypeList相關的三個典型操作（Length、TypeAt和Append）的實現進行詳細的剖析。掌握了這幾個典型的操作，再學習其他的操作就會變得非常的容易。

我們將透過一個例項進行講解，來看一下編譯器實際的運作過程。我們定義了一個包含兩個元素：int以及long的TypeList。

此時，編譯器會根據TypeList的定義方式產生如下的型別定義結果：

struct TypeList

typedef long H;

typedef NullType T;

typedef int H;

Length的實現 － 獲取TypeList中的元素個數：

template <> struct Length // 遞迴呼叫的結束條件，NullType的大小為0，運用了

// 術

enum { value = 0 };

};

template // 遞迴的規則定義，運用了模板偏特化和型別萃取技術

struct Length< Typelist >

{

enum { value = 1 + Length::value };

};

struct Length >

enum { value = 1 + Length::value };

struct Length > >

enum { value = 1 + Length >::value };

template

struct TypeAt, 0> // 遞迴呼叫的結束條件，如果給定位置為0，則

{ // 返回TypeList中的第一個元素

typedef Head Result;

};

template //遞迴規則定義，注意這裡的返回結果為型別，

struct TypeAt, i> // 運用了型別萃取技術。typename關鍵字的作

{ // 用是告訴編譯器其後的實體是型別。

typedef typename TypeAt::Result Result;

};

Append的實現 － 在TypeList的末尾新增一個元素

template <> struct Append // 遞迴結束條件定義，模板的偏特化

{

typedef NullType Result;

};

template struct Append //遞迴結束條件定義，模板的偏特化

{

typedef TYPELIST_1(T) Result;

};

template

struct Append > // 遞迴結束條件定義，模板的偏特化

{

typedef Typelist

};

template // 遞迴規則定義，注意這裡的返回結果為型別，

struct Append, T> // 運用了型別萃取技術。typename關鍵字的作

{ // 用是告訴編譯器其後的實體是型別。模板的偏特

// 化

typedef Typelist

typename Append::Result>

Result;

};

struct Append

typedef TYPELIST_1(float) Result;