【发布时间】：2021-10-20 05:14:28
【问题描述】：
在我的程序中，我有一些看起来像这样的代码：通过模板专业化唯一实现公共模板的函数或类的集合：
constexpr int NUM_SPECIALIZATIONS = 32;
template<int num>
void print_num(){}
template<>
void print_num<0>(){cout << "Zero" << endl;}
template<>
void print_num<1>(){cout << "One" << endl;}
template<>
void print_num<2>(){cout << "Two" << endl;}
// etc, ...
template<>
void print_num<31>(){cout << "Thirty-One" << endl;}
然后我有一个变量，它的值只有在运行时才知道：
int my_num;
cin >> my_num; // Could be 0, could be 2, could be 27, who tf knows
然后我需要调用对应于变量值的模板特化。由于我不能使用变量作为模板参数，我会创建一种“解释器”：
switch(my_num)
{
case 0:
print_num<0>();
break;
case 1:
print_num<1>();
break;
case 2:
print_num<2>();
break;
// etc, ...
case 31:
print_num<31>();
break;
}
我注意到这段代码的第一件事是它重复。肯定有某种技巧可以通过程序生成这段代码。
我注意到的另一件事是它不方便维护，因为它与模板专业化相结合；每次我想添加一个新的模板特化时，我也需要更新解释器。
理想情况下，我可以使用某种模板魔法在编译时自动生成解释器，以便在保持 switch 语句的效率的同时保持两个代码部分的解耦：
// Copies and pastes the code found in template lambda "foo",
// Replacing all occurrences of its template parameter with values from
// "begin" until "end"
template<auto begin, auto end>
inline void unroll(auto foo)
{
if constexpr(begin < end)
{
foo.template operator()<begin>();
unroll<begin + 1, end>(foo);
}
}
// A template lambda which generates a generic switch case for the interpreter
auto template_lambda = [&]<int NUM>()
{
case NUM:
print_num<NUM>();
break;
};
// The interpreter; contains the code "case NUM: print_num<NUM>(); break;"
// repeated for all ints NUM such that 0 <= NUM < NUM_SPECIALIZATIONS
switch(my_num)
{
unroll<0,NUM_SPECIALIZATIONS>(template_lambda);
}
很遗憾，这段代码无法编译。它永远不会通过语法检查器，因为我的 lambda 函数中的“case”和“break”语句在技术上还没有在 switch 语句中。
为了让它工作，我需要使用宏而不是模板和 lambda 来实现“展开”功能，以便源代码的复制和粘贴发生在之前语法检查而不是之后.
我玩过的另一种解决方案是模仿 switch 语句在低级别的作用。我可以创建一个函数指针数组作为跳转表：
std::array<std::function<void()>,NUM_SPECIALIZATIONS> jump_table;
然后我可以用指向各种模板特化的指针填充跳转表，而不必将它们全部输入。相反，我可以只使用展开功能：
template<auto begin, auto end>
inline void unroll(auto foo)
{
if constexpr(begin < end)
{
foo.template operator()<begin>();
unroll<begin + 1, end>(foo);
}
}
unroll<0,NUM_SPECIALIZATIONS>([&]<int NUM>()
{
jump_table[NUM] = print_num<NUM>;
});
我们去吧。现在解释器和模板特化解耦了。
那么当我想调用对应的模板特化到一个运行时变量my_num的值时，我可以这样做：
jump_table[my_num](); // Almost like saying print_num<my_num>();
甚至可以在运行时修改跳转表，只需将数组的内容重新分配给不同的函数名：
jump_table[NUM] = /* a different function name */;
这种方法的缺点是，与 switch 语句相比，访问数组元素会产生轻微的运行时损失。我认为这是与生俱来的，因为 switch 语句在编译时会在指令内存中生成跳转表，而我在这里所做的是在运行时在数据内存中生成跳转表。
我认为，只要函数有足够长的执行时间，轻微的运行时间损失并不重要，相比之下，开销可以忽略不计。
【问题讨论】：
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您是否在任何其他场景中使用
print_num，而不是仅在运行时知道的值？如果不是，为什么不把它变成一个常规函数（不是函数模板）并用参数调用它？void print_num(size_t x) { static const char* arr[] = {"Zero", "One", ... }; std::cout << arr[x] << '\n'; }（+ 如果需要，添加边界检查） -
这有点相关stackoverflow.com/questions/2157162/… 和更多细节在这里stackoverflow.com/questions/2157149/…。我认为没有办法绕过宏，除非您想按照 Ted 的建议更改方法
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是的，函数指针数组可能是一个好方法。您不需要
std::function及其类型转换开销来保存一个简单的函数指针。typedef void (*fptr)(); std::array<fptr, NUM_SPECIALIZATIONS> jump_table;. -
@Ted Lyngmo 这是因为在我的项目中，每个专业都非常独特。我展示的示例经过了简化，但在我的项目中，每个函数的行为以及它可以访问的数据将大相径庭，因此不可推广。
标签： c++ templates metaprogramming template-meta-programming