表驱动法（Table-Driven ）在程序中应用
Singleton 的C++实现

小窥模板元编程

皮贝贝 posted @ 2008年7月27日 01:12 in 模式之灾 , 2912 阅读

1.追溯历史的脚步 
         1994年的C++标准委员会的会议期间,Erwin Unruh 发现模板可以在编译期间就可以执行计算一些东西。他还写了一个计算素数的程序来演示。同年夏，Todd Veldhuizen受其启发，发表了一份技术报告，次年又在C++ Report上发标了一份关于模板元编程的文章，从此TMP（templete metaprogramming）开始受人关注了。
        至于当年那第一个描述模板元编程的求素数的例子，我们仍然可以找到它，可以一探究竟。尽管是以错误信息的形式报告给我们，不过却说明了编译器的强大功能，也同样的预示我们，编译器也是我们工作的团队一部分，我们已经很久没有协同工作了。不管怎么说，编译期间我们错过了不少可值得利用的东西。


2.关于元编程
     我们听说过太多的元编程技术，各述不一。事实上，元编程是一个比较宽泛的术语，泛指编写能够生成和处理自身的部分代码或其他程序的程序，狭义一些的定义是在运行时而非编译时改变程序行为的编程技术。因此，许多语言的反射机制，代码生成程序，C++等语言的模板元编程和泛型等都可视为元编程。代码和数据的分离也是一种元编程技术，之前所述的表驱动法编程模式就是此类。
     C++中的模板机制本来就是编译期间的活动，在运行期间，这些模板已经变化成为特定的实例。因此C++模板的大多技术都属元编程范畴。像延迟计算，类型检测等。


3.数值计算
     模板元编程是从数值计算堆里爬出来的，也是应用最广的一个领域。一些计算的库中也很多用此实现，速度也很快。下面演示一个求从1到某个数的和：

  1.  
  2. //////////////////////////////////////////////////类似递归版本
  3. //主要接口模板
  4. template< int N >
  5. class Sub
  6. {
  7. public:
  8.      enum { Result = N + Sub<N-1>::Result };
  9. };
  10.  
  11. // 递归终结条件
  12. template<>
  13. class Sub<1>
  14. {
  15. public:
  16.      enum { Result = 1 };
  17. };
  18.  
  19. /////////////////////////////////////////////////////另一个版本
  20.  
  21. //主要接口模板
  22. template< int N >
  23. class Sub2
  24. {
  25. public:
  26.      enum { Result = ( N == 1 ? 1 :  N + Sub<N-1>::Result ) };
  27. };
  28.  
  29. //调用
  30. int main()
  31. {
  32.      cout << "--------------------------" << endl;
  33.      cout << " Sub (12 ) = " << Sub<12>::Result << endl;
  34.      cout << " Sub2 (12 ) = " << Sub2<12>::Result << endl;
  35.      cout << "--------------------------" << endl;
  36. }
  37.  
  38.           
  39.  

     无论那种形式，总会有一个出口。
     在对12进行求值时候，会以下列方式进行：
     

  1.  
  2.            12 + Sub<11>::Result
  3.       12 + 11 + Sub<10>::result
  4.  12 + 11 + 10 + Sub< 9>::Result
  5.  ......
  6.  12 + 11 + 10 + ... + 2 + 1
  7.          

     然后在执行前，代码中已经将 12 ＋ 11 ＋ 10  + ... ＋ 2  + 1 的值作为一个常数进入执行期。所以这样复杂的代码，并不会降低程序的执行效率，相反效率倒有了飞速的提高，许多数学计算库就是得此因才速度快。
   
     实现小要领：有两种形式作为编译期间的存储变量，一是enum，二是新C++标准中的static int  const变量。为了实现纯的模板元编程，使用enum，因为第二种是一个左值，在传递参数时候会有变量地址，而enum绝不会在内存占有位置(变量）。


 模板元编程可包含：  ◎状态变量：模板的参数
                                        ◎循环创建：通过递归，C++标准推荐使用低于17层的递归，有些编译器支持几百层
                                        ◎路径选择：通过使用条件表达式或实例化
                                        ◎整形计算
     
4.效率之争
     在进行编译期间，会对所有模板元进行展开，直至彻底。这在条件选择计算的时候尤其费时，因为要计算可能不会用到的表达式。为此可以创建编译期间的条件表达式IfThenElse（？：的作用），达到与运行期间&& 和 || 的点到为止的效果。 

  1.  
  2. #ifndef IFTHENELSE_H_
  3. #define IFTHENELSE_H_
  4.  
  5. /***************************************************
  6.                 一个让模板元编程的算法效率提高的运算符
  7. 一般情况下，若存在选择子，即?:的运算符号来在编译期间来选择运算对象，
  8. 且选择的运算对象中存在模板元，则一般情况下，会将所有的模板元全部展开，
  9. 即全部运算。这样，无论有无选择它，都会计算，效率会是O(N2),而自我
  10. 定义一个编译时期的?:运算符，则让编译器在编译期间就和运行期间的&&
  11. 或||运算符一样，优化到点到为止，找到适合的就不再运算剩余的内容了，
  12. 这样将编译效率提高到了O(logN).
  13. ****************************************************/
  14.  
  15. template<bool QuestionMark,
  16.          typename Arg1st,
  17.          typename Arg2nd>
  18. class TIfThenElse;
  19.  
  20. //----------------------------实例化
  21. template<typename Arg1st,
  22.          typename Arg2nd>
  23. class TIfThenElse<true, Arg1st, Arg2nd>
  24. {
  25. public:
  26.      typedef Arg1st ResultT;
  27. };
  28.  
  29. template<typename Arg1st,
  30.          typename Arg2nd>
  31. class TIfThenElse<false, Arg1st, Arg2nd>
  32. {
  33. public:
  34.      typedef Arg2nd ResultT;
  35. };
  36.  

     定义这个运算符的好处是，优化编译效率。像下面的情况：
 

  1. // 计算sqrt(N) 的主模板
  2. template <int N, int I=1>
  3. class Sqrt {
  4.   public:
  5.     enum { result = (I*I<N) ? Sqrt<N,I+1>::result
  6.                             : I };
  7. };
  8.  
  9. // 部分专门化 ， 递归出口
  10. template<int N>
  11. class Sqrt<N,N> {
  12.   public:
  13.     enum { result = N };
  14. };
  15.  

    这是取自 《C++ Template 》上例子的一段，是求平方根的。从下面的解析步骤中，我们可以看见一些缺点。
     

  1. // Step 1:
  2.  
  3. result = (1*1<4) ? Sqrt<4,2>::result
  4.                  : 1
  5.  
  6. // Step 2:
  7.  
  8. result = (1*1<4) ? (2*2<4) ? Sqrt<4,3>::result
  9.                            : 2
  10.                  : 1
  11.  
  12. // Step 3:
  13.  
  14. result = (1*1<4) ? (2*2<4) ? (3*3<4) ? Sqrt<4,4>::result
  15.                                      : 3
  16.                            : 2
  17.                  : 1
  18.  
  19. // Step 4:
  20.  
  21. result = (1*1<4) ? (2*2<4) ? (3*3<4) ? 4
  22.                                      : 3
  23.                            : 2
  24.                  : 1
  25.  
  26.  

     尽管我们已经在第2步中，算出了结构，但是编译器还在不停的展开计算后面的没有用的模板式。这无疑是一种资源的浪费。无论有无选择它，都会计算，效率会是O(N2),而自我定义一个编译时期的IfThenElse，则让编译器在编译期间就和运行期间的&&或||运算符一样，优化到点到为止，找到适合的就不再运算剩余的内容了，这样将编译效率提高到了O(logN).下面是一个改进版本：
 

  1. // template to yield template argument as result
  2. template<int N>
  3. class Value {
  4.   public:
  5.     enum { result = N };
  6. };
  7.  
  8. // 计算sqrt(N) 的主模板 
  9. template <int N, int I=1>
  10. class Sqrt {
  11.   public:
  12.  
  13.     // instantiate next step or result type as branch
  14.     typedef typename IfThenElse<(I*I<N),
  15.                                 Sqrt<N,I+1>,
  16.                                 Value<I>
  17.                                >::ResultT
  18.             SubT;
  19.  
  20.     // use the result of branch type
  21.     enum { result = SubT::result };
  22. };
  23.  

 

  • 无匹配
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jnanabhumiap. in 说:
2024年1月09日 20:11

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