编译时间递归和条件答案

【问题标题】：Compile time recursion and conditionals编译时间递归和条件
【发布时间】：2012-02-04 07:15:55
【问题描述】：

我正在阅读对"Printing 1 to 1000 without loop or conditionals" 的回复，我想知道为什么有必要在最佳答案中包含 NumberGeneration 的特殊情况。

如果我删除它并在模板中添加对 N == 1 的检查（下面的代码），代码编译失败，并显示“模板实例化深度超过最大值”，但我不知道为什么。条件在编译时的处理方式不同吗？

#include <iostream>

template<int N>
struct NumberGeneration
{
    static void out(std::ostream& os)
    {
        if (N == 1)
        {
            os << 1 << std::endl;
        }
        else
        {
            NumberGeneration<N-1>::out(os);
            os << N << std::endl;
        }
    }
};

int main()
{
    NumberGeneration<1000>::out(std::cout);
}

【问题讨论】：

标签： c++ compile-time

【解决方案1】：

我很确定这是特定于编译器的；一些编译器可能会尝试生成if/else 的两个分支，无论N 的值是多少，在这种情况下编译无论如何都会失败。其他编译器可能会在编译时评估条件，并且只为执行的分支生成代码，在这种情况下编译会成功。

更新：或者正如 Luc 在 cmets 中所说，可能是编译器必须生成两个分支，这样代码总是会失败。我不太确定是哪种情况，但无论哪种方式，依靠运行时条件来控制编译时代码生成都是一个坏主意。

最好使用专业化：

template <int N>
struct NumberGeneration
{
    static void out(std::ostream & os)
    {
        NumberGeneration<N-1>::out(os);
        os << N << std::endl;
    }
};

template <>
void NumberGeneration<1>::out(std::ostream & os)
{
    os << 1 << std::endl;
}

（或者您可以通过专门针对 N=0 来稍微缩短此时间，使用不执行任何操作的 out 函数）。

另外，请注意某些编译器可能不支持深度递归模板； C++03 建议的最小支持深度仅为 17，C++11 增加到 1024。您应该检查编译器的限制是多少。

【讨论】：

嗯，我认为编译器必须实例化模板，即使它可以检测到代码在运行时永远不会到达，所以我认为这段代码永远不可能完成编译，无论你使用什么编译器。
你不需要专门化整个结构，你可以只为函数做。
@PaulManta：确实可以。谢谢。

【解决方案2】：

这是正确的做法：

template<int N>
struct NumberGeneration
{
    static void out(std::ostream& os);
};

template<int N>
void NumberGeneration<N>::out(std::ostream& os)
{
    NumberGeneration<N-1>::out(os);
    os << N << std::endl;
}

template<>
void NumberGeneration<1>::out(std::ostream& os)
{
    os << 1 << std::endl;
}

int main()
{
    NumberGeneration<20>::out(std::cout);
}

这称为模板专业化：您，程序员，为模板的特定实例化提供替代定义。您可以专门化整个模板，也可以只专门化其中的一部分，就像我在这里所做的那样（我只专门化了函数，而不是整个结构）。

【讨论】：

【解决方案3】：

模板在编译时实例化，模板特例防止编译器在编译时递归低于1。

if 子句是在运行时评估的，因此编译器在编译您的代码时已经失败了。

【讨论】：

【解决方案4】：

一般来说，代码中的条件N == 1 是在运行时评估的（尽管编译器可能会优化掉它），而不是在编译时。因此，else 子句中的模板实例化递归永远不会终止。另一方面，NumberGeneration<1> 在编译时进行评估，因此充当此递归模板的终止情况。

【讨论】：

【解决方案5】：

条件if 不会在编译时处理。它将在运行时处理。

因此，即使 N=1，编译器也会不断生成 NumberGenerator，然后生成 NumberGenerator ...，直到达到模板实例化深度。

【讨论】：

【解决方案6】：

代码生成和编译不会根据条件分支！考虑一下：

// don't declare bar()!

void foo()
{
     if (false) { bar(); }
}

如果你从未声明bar()，这是一个编译错误，即使内部范围永远无法到达。出于同样的原因，NumberGeneration<N-1> 总是被实例化，无论是否可以到达那个分支，并且你有无限递归。

确实，条件句的静态类似物正是模板特化：

template <> struct NumberGeneration<0> { /* no more recursion here */ };

【讨论】：

谢谢，这是有道理的，我并没有真正考虑编译时实例化，而是希望它只在到达代码时才完成。
@baris.m：但是你所说的“代码已到达”有一个关键的微妙之处：编译器在编译期间到达一次，总是，然后再次有条件地 i> 在程序执行期间的运行时。
在我的评论中，我谈论的是在运行时被联系到。你的回答很有道理。

【解决方案7】：

我想知道为什么有必要为 NumberGeneration 在最佳答案中。

因为这是递归的结束条件！没有那个递归怎么会结束？

【讨论】：

我添加到模板中的 if N == 1 条件呢？在这种情况下，我们不会用 N-1 实例化一个新的，所以我希望递归停止。
@baris.m ：您不应该删除条件 1 的模板专业化，因为这是编译结束计算/编译的结束条件。
@baris.m ：您添加的条件没有帮助，因为编译不会关心它并在编译期间结束编译。您添加的检查仅在运行时有用，而不是编译时。
@baris.m：如果您仍有任何疑问，请阅读此内容：en.wikipedia.org/wiki/Template_metaprogramming

【解决方案8】：

这是因为整数可以是负数，并且运行时代码（if 检查）不会阻止编译器使用 0、-1、-2 等实例化模板。编译器可能能够摆脱您的建议，但是如果实例化其他模板（0，-1，...）具有您所依赖的副作用怎么办？在这种情况下，编译器不能不为您实例化它们。

简而言之，就像 all 递归一样，您必须提供自己的基本情况。

【讨论】：