消除 C++ 中的递归模板实例化

Question

我想定义一个可以在不同位置（在文件范围内）调用的宏，以便创建执行某些操作的函数。 （在下面的示例中，函数只是打印一条消息，但我的真正意图当然是做一些其他有用的事情。）挑战是我想要一些“管理器”功能（在我的示例中它只是main()）以某种方式成功地使它们全部被调用（以任何顺序），而没有任何代码依赖于宏调用（当然，宏调用本身除外）。我的意思是，一旦文件被写入，另一个程序员将​​能够在不同的地方插入一些新的宏调用或删除一些现有的调用，并且代码仍然可以工作而无需任何进一步的更改。我意识到这可以使用静态对象来完成，但我想探索一种不同的方法。我将使用一些模板技巧以及__LINE__ 单调递增的事实。

#include <iostream>
using namespace std;

template<int i>
inline void f()
{
   f<i-1>();
}

#define START_REGISTRATION                                \
template<>                                                \
inline void f<__LINE__>() {}  /* stop the recursion */    \
template<> void f<__LINE__>()  /* force semicolon */

#define REGISTER(msg)                                     \
template<>                                                \
inline void f<__LINE__>()                                 \
{                                                         \
   cout << #msg << endl;                                  \
   f<__LINE__ - 1>();                                     \
}                                                         \
template<> void f<__LINE__>()  /* force semicolon */

// Unrelated code ...

START_REGISTRATION;

// Unrelated code ...

REGISTER(message 1);

// Unrelated code ...

REGISTER(message 2);

// Unrelated code ...

REGISTER(message 3);

// Unrelated code ...

// manager function (in this case main() )
int main()
{
   f<__LINE__>();
}

打印出来

message 3
message 2
message 1

正如预期的那样。

此解决方案有一些缺点。

1. 不能在同一行调用REGISTER 两次。
2. 如果与#line 一起玩会中断。
3. 需要在REGISTER的所有调用之后放置管理器。
4. 由于递归实例化而增加了编译时间。
5. 除非f 的“虚拟”实例全部内联，否则运行时的调用堆栈深度将与管理器中START_REGISTRATION; 和f<__LINE__>(); 之间的行数一样大。
6. 代码膨胀：除非 f 的“虚拟”实例化都被内联，否则实例化的数量同样会很大。
7. 过多的实例化递归深度可能会达到编译器的限制（我的系统默认为 500）。

问题 1-4 我不介意。问题 5 可以通过让每个函数返回一个指向前一个函数的指针来消除，并让管理器使用这些指针迭代地调用函数，而不是让它们相互调用。可以通过创建一个类似的类模板构造来消除问题 6，该构造能够为每次调用 REGISTER 计算在上一次调用中实例化了哪些函数，因此只实例化实际执行某些操作的函数。过多的实例化将从函数模板转移到类模板，但类实例化只会对编译器造成负担；他们不会触发任何代码生成。所以我真正关心的是问题 7，问题是：有没有办法重组事物，以便编译器迭代而不是递归地进行实例化。我也完全接受不同的方法（除了那些涉及静态对象的方法）。一个简单的解决方案是在管理器之前将所有注册组合在一起（或添加一个STOP_REGISTRATION 宏来结束注册块），但这会破坏我的目的的重要部分（在定义它的代码旁边注册东西）。

编辑：有一些有趣的建议，但恐怕我并没有明确说明我希望实现的目标。我真的对两件事感兴趣：解决提出的问题（即，没有静态，每个注册单行，添加/删除注册时没有额外的更改，虽然我没有这么说，但只有标准 C++ --- 因此，没有提升）。正如我在下面的 cmets 中所说，我的兴趣更多是理论上的：我希望学习一些新技术。因此，我真的很想专注于重组事物，以便消除（或至少减少）递归，或者找到满足我上面列出的约束的不同方法。

编辑 2： MSalter 的解决方案向前迈出了一大步。起初我认为每次注册都会产生排队的全部成本，但后来我意识到一个函数当然只能实例化一次，所以在实例化方面我们付出与线性搜索相同的代价，但是递归深度变为对数。如果我能解决它，我将发布一个完整的解决方案，消除问题 5-7。不过，看看它是否可以在恒定的递归深度中完成，最好，实例化的数量与调用的数量成线性关系（a-la 提升解决方案）。

编辑 3：这是完整的解决方案。

#define START_REGISTRATION                                          \
template<int lo, int hi>                                            \
struct LastReg {                                                    \
  enum {                                                            \
     LINE_NUM = LastReg<(lo + hi)/2 + 1, hi>::LINE_NUM ?            \
        static_cast<int>(LastReg<(lo + hi)/2 + 1, hi>::LINE_NUM) :  \
        static_cast<int>(LastReg<lo, (lo + hi)/2>::LINE_NUM)        \
  };                                                                \
};                                                                  \
template<int l>                                                     \
struct LastReg<l, l> {                                              \
   enum { LINE_NUM = 0 };                                           \
};                                                                  \
template<int l>                                                     \
struct PrevReg {                                                    \
   enum { LINE_NUM = LastReg<__LINE__ + 1, l - 1>::LINE_NUM };      \
};                                                                  \
template<int l> void Register() {}                                  \
template<int l> void Register()  /* force semicolon */


#define REGISTER(msg)                                               \
template<>                                                          \
struct LastReg<__LINE__, __LINE__> {                                \
   enum { LINE_NUM = __LINE__ };                                    \
};                                                                  \
template<>                                                          \
void Register<__LINE__>()                                           \
{                                                                   \
   cout << __LINE__ << ":" << #msg << endl;                         \
   Register<PrevReg<__LINE__>::LINE_NUM>();                         \
}                                                                   \
template<> void Register<__LINE__>()  /* force semicolon */


#define END_REGISTRATION                                            \
void RegisterAll()                                                  \
{                                                                   \
   Register<PrevReg<__LINE__>::LINE_NUM>();                         \
}                                                                   \
void RegisterAll()  /* force semicolon */


START_REGISTRATION;

REGISTER(message 1);

REGISTER(message 2);

END_REGISTRATION;


int main()
{
   RegisterAll();
}

Answer 1

您面临的问题是您正在对f<i> 进行线性搜索，这会导致实例化次数过多。

解决方法是让f<i> 调用g<i,0>。这依次调用g<i,i/2> 和g<i/2,0>，它们调用g<i,i/2+i/4>、g<i/2+i/4,i/2>、g<i/2,i/4> 和g<i/4, 0> 等等。您当然会在 REGISTER() 中专攻 g<__LINE__, __LINE__>。

实例化f<65536> 仍将导致 65536 模板实例化（您实际上是在检查所有之前的 65536 行），但递归 深度 仅限于 log(65536) 或 16 级。这是可行的。

Answer 2

可能是这样的：

template<typename T>
struct register_struct {
    virtual void operator()() = 0;
    register_struct();
    register_struct *pNext;
};

template<typename T>
struct registry {
    static register_struct<T> *chain;
    static void walk() {
        register_struct<T> *p = chain;
        while (p) {
            (*p)();
            p = p->pNext;
        }
    }
};

template<typename T>
register_struct<T> *registry<T>::chain = NULL;

template<typename T>
register_struct<T>::register_struct()
{
    pNext = registry<T>::chain;
    registry<T>::chain = this;
}

#define DECL_REGISTRY(name) \
    struct tag_##name { } ; \
    void name() { registry<tag_##name>::walk(); }

#define JOIN_EXPAND(x, y) JOIN_EXPAND_2(x, y)
#define JOIN_EXPAND_2(x, y) x ## y

// Invoke REGISTER_PRINT at file scope!
#define REGISTER_PRINT(name, text) \
    namespace { \
    static struct : public register_struct<tag_##name> { \
        void operator()() { \
            std::cout << text << std::endl; \
        } \
    } JOIN_EXPAND(rs_##name##_, __LINE__); \
    }

DECL_REGISTRY(foo);

REGISTER_PRINT(foo, "hello")
REGISTER_PRINT(foo, "world")

int main() {
    foo();
    return 0;
}

这将解决递归实例化问题，但您仍被限制为每行一个注册。但是，由于注册是在文件范围内，这应该（希望！）不是问题。

请注意，如果您希望在 main() 之前调用它们，则使用它是不安全的 - 您必须在使用它之前允许静态构造函数完成。

Answer 3

我曾经做过类似的事情，它只实例化了有限数量的特化。目标是将所有特化聚合到一个指针数组中，并通过枚举使用单个方法访问它们，但您可以轻松地将其调整为您的类似（如我所想）需求。

#include <iostream>

using namespace std;

class I {
public:
    virtual ~I() {};

    virtual void P(int index) = 0;

    enum Item {
        Item0,
        Item1,
        Item2,
        Item3,
        Item4,
        ItemNum
    };
};


template <class T> class A: public I {
public:
    A() {
        Unroll<A<T>, ItemNum> tmp (m_F);
    }
    virtual ~A() {
    }

    void P(int index) { (this->*m_F[index])(); }

protected:
    typedef void (A<T>::*F)();
    F m_F[ItemNum];

    template <int N> void p() { cout << "default!" << endl; }

    template <class W, int C> struct Unroll
    {
        Unroll(typename W::F * dest)
        {
            dest[C-1] = & W::template p<C-1>;
            Unroll<W, C-1> u(dest);
        }
    };
};

template <class T> template <class W> struct A<T>::Unroll<W, 0>
{ public: Unroll(typename W::F * dest) {} };

class B: public A<B>
{
public:

};

template <> template <> void A<B>::p<A<B>::Item1>() { cout << 1 << endl; }
template <> template <> void A<B>::p<A<B>::Item2>() { cout << 2 << endl; }
template <> template <> void A<B>::p<A<B>::Item4>() { cout << "it hacking works!" << endl; }


int main()
{
    I *a = new B;
    for (int i = 0; i < I::ItemNum; ++i) a->P(i);
    return 0;
}

Answer 4

这是一个将递归限制为实际注册的函数数量的解决方案。我没有使用 __LINE__ 作为 id，而是使用了 BOOST_PP_COUNTER，这是一个可供预处理器使用的递增计数器。

诀窍是您不能在宏内增加计数器，因为增加是通过包含头文件来完成的。因此，我也不得不依赖文件包含，因此需要两行而不是一行来注册消息（一行定义消息，一行实际注册它）。

代码如下：

//register.hpp

#include <boost/preprocessor/slot/counter.hpp>

// general template function, not defined
template <unsigned int ID>
void f();

// base case, to stop recursion
template <>
void f<0>() {}


// macro to "hide" the name of the header to include (which should be in a
// "hidden" folder like "detail" in Boost 
#define REGISTER() "actually_register_msg.hpp"

---

//actually_register_msg.hpp

#include <boost/preprocessor/stringize.hpp>

// increment the counter
#include BOOST_PP_UPDATE_COUNTER()

template<>
inline void f< BOOST_PP_COUNTER >()
{
    std::cout << BOOST_PP_STRINGIZE( MSG_TO_REGISTER ) << std::endl;
    f< BOOST_PP_COUNTER - 1 >(); // call previously registered function
}

// to avoid warning and registering multiple times the same message
#undef MSG_TO_REGISTER

// id of the last registered function
#define LAST_FUNCTION_ID BOOST_PP_COUNTER

---

// main.cpp

#define MSG_TO_REGISTER message 1
#include REGISTER()

#define MSG_TO_REGISTER message 2
#include REGISTER()

#define MSG_TO_REGISTER message 3
#include REGISTER()

int main()
{
    f< LAST_FUNCTION_ID >();
}

就像你的代码一样，这会打印出来

message 3
message 2
message 1

当然，注册调用不太漂亮（一个 #define 和一个 #include 而不是单个宏调用），但您避免很多不必要的模板实例化。