《C++ Template Metaprogramming》
第三章 深度探索元函数
david abraham&Aleksey Gurtovoy著
刘未鹏([email protected]) 译
有了前面的基础知识作铺垫，我们来考察模板元编程技术的一个最基本的应用——为传统的不进行类型检查的操作添加静态类型检查。为此，我们将考察一个有关工程科学的实例——几乎在所有涉及科学计算的代码中都可以找到它的应用。在考察该例子的过程中，你将会学到一些重要的新的concepts，并且尝试使用MPL[1]（Metaprogramming Library）进行高阶的模板元编程。
3.1 单位[2]分析
物理计算的首要原则是：数值并非是独立的——大多数物理量都有单位。而我们一不小心就会将单位置之脑后，这是件很危险的事情。随着计算变得越来越复杂，维持物理量的正确单位能够避免诸如“将质量赋给长度”和“将加速度和速度相加”之类不经意间就会犯下的错误。这意味着为数值建立一个类型系统。
手动检查类型是件单调而乏味的工作，并且容易导致错误。当人们感到厌烦时，注意力就会分散，从而容易犯错误。然而，类型检查不正是计算机擅长的工作吗？如果我们能够为物理量和单位构建一个C++型别的framework，那么我们从公式中就可以捕获错误，而不用等到它们在现实世界中导致问题的时候。
阻止单位不同的物理量互操作并不难——我们可以简单地用类来表现单位，并且只允许相同的类（单位）互操作。但是问题并不止是这么简单，不同的单位可以通过乘或除结合起来，从而产生一个复杂的新单位，由于可以不断乘除，所以产生的新单位其复杂度几乎是任意的。看来问题变得更有趣了！例如，牛顿定律（它将力，质量，加速度三者联系起来）:
F=ma
由于质量和加速度有着不同的单位，所以力的单位必须是两者的结合。事实上，加速度的单位就已经是个“混合物”了——单位时间内速度的改变：
dv/dt
又因为速度即“单位时间内经过的距离”，所以加速度的基本单位是：
(l/t)/t=l/t2
并且，加速度通常以“米每平方秒”来衡量。所以，力的单位为：
ml/t2
也就说，力通常以kg(m/s2)或“千克米每平方秒”来衡量。当我们将质量和加速度相乘时，我们除了将数量相乘之外还必须将单位相乘，这可以帮我们确信结果是有意义的。这种（对单位的）簿记的正式名称为单位分析，而我们的下一个任务就是在C++类型系统中实现它。John Barton和Lee Nackman在它们的著作《Scientific and Engineering C++》中第一次展示了如何实现它。我们将沿袭他们的思路，只不过重新以元编程的方式来实现。
3.1.1 表示单位
国际标准单位制规定了物理量的标准单位为：质量（kg），长度或位置（m），时间（s），电荷（c），温度（oc），密度（kg/m3），角度（o）。为了通用一些，我们的系统必须可以表示七个或七个以上的基本单位，还要能够表示复合单位，比如力（kg(m/s2)）的单位这种经过几个基本单位乘除而成的复合单位。
一般来说，一个复合单位可以看成若干基本单位的幂的乘积[3]。如果要表示这些幂次以便在运行期可以操纵它们，我们可以使用一个数组，其七个元素每个对应一个不同的单位，而其值表示对应单位的幂次：
typedef int dimension[7]; //m l t ...
dimension const mass ={1,0,0,0,0,0,0};
dimension const length ={0,1,0,0,0,0,0};
dimension const time ={0,0,1,0,0,0,0};
...
根据这种表示法，力的表示如下：
dimension const force ={1,1,-2,0,0,0};
也就是说，mlt-2。然而，如果我们想要将单位融入到类型系统[4]中去，这些数组就无法胜任了：它们的类型全都相同，都是dimension！而我们需要的是自身能够表示数值序列的类型，这样质量和长度的类型就是不同的，而两个质量的类型则是相同的。
幸运的是，MPL提供了一组表示类型序列的设施。例如，我们可以构建一个有符号整型的序列：
#include <boost/mpl/vector.hpp>
typedef boost::mpl::vector<
signed char, short, int, long> signed_types;
那么，我们如何用类型序列来表示单位[5]呢？由于数值型的元函数传递和返回的类型是具有内嵌::value的外覆类，所以数值序列其实是外覆类型的序列（另一个多态的例子）。为了使事情变得更为简单，MPL提供了int_<N>类模板，它以一个内嵌的::value来表现它的整型参数N：
#include <boost/mpl/int.hpp>
namespace mpl = boost::mpl;[6] // namespace alias
static int const five = mpl::int_<5>::value;
事实上，MPL库包含了一整套整型常量的外覆类，如long_和bool_等，每个外覆类对应一个不同类型的整型常量。
现在，我们可以将基本单位构建如下：
typedef mpl::vector<
mpl::int_<1>, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>
, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>
> mass;
typedef mpl::vector<
mpl::int_<0>, mpl::int_<1>, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>
, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>, mpl::int_<0>
> length;
...
唔...你很快就会觉得这写起来实在太累人。更糟糕的是，这样的代码难于阅读和验证。代码的本质信息，也就是每个基本单位的幂次，被埋在重复的语法“噪音”中。因此，MPL相应还提供了整型序列外覆类，它允许我们写出类似下面的代码：
#include <boost/mpl/vector_c.hpp>
typedef mpl::vector_c<int,1,0,0,0,0,0,0> mass;
typedef mpl::vector_c<int,0,1,0,0,0,0,0> length; // or position
typedef mpl::vector_c<int,0,0,1,0,0,0,0> time;
typedef mpl::vector_c<int,0,0,0,1,0,0,0> charge;
typedef mpl::vector_c<int,0,0,0,0,1,0,0> temperature;
typedef mpl::vector_c<int,0,0,0,0,0,1,0> intensity;
typedef mpl::vector_c<int,0,0,0,0,0,0,1> angle;
你可以将这个特殊的mpl::vector_c看作与前面那个冗长的mpl::vector一样，尽管它们的类型并不相同。
如果我们愿意，我们还可以定义一些复合单位：
//基本单位:m l t ...
typedef mpl::vector_c<int,0,1,-1,0,0,0,0> velocity; // l/t
typedef mpl::vector_c<int,0,1,-2,0,0,0,0> acceleration;
// l/(t2)
typedef mpl::vector_c<int,1,1,-1,0,0,0,0> momentum; // ml/t
typedef mpl::vector_c<int,1,1,-2,0,0,0,0> force; // ml/(t2)
并且，有时候，标量的单位（如pi，标量的单位即没有单位——译注）也可以这样来描述：
typedef mpl::vector_c<int,0,0,0,0,0,0,0> scalar;
3.1.2 物理量的表示
上面所列的类型仍然是纯粹的元数据。要想对真实的计算进行类型检查，我们还需要以某种方式将它们（元数据）绑定到运行时数据。一个简单的数值外覆类——模板参数为数据类型T和T的单位——刚好合适：
template <class T, class Dimensions>
struct quantity
{
explicit quantity(T x)
: m_value(x)
{}
T value() const { return m_value; }
private:
T m_value;
};
现在，我们有了将数值和单位联系到一起的办法。例如，我们可以说：
quantity<float,length> l(1.0f);
quantity<float,mass> m(2.0f);
注意到在quantity的类定义体中并没有出现Dimensions模板参数的任何身影，它只在模板参数列表中出现过，其唯一作用是确保l和m具有不同的类型。这样，我们就不可能错误地将长度赋给质量：
m = l; //编译期错误
3.1.3 实现加法和减法
因为参数的类型（单位）必须总是匹配，所以我们现在可以轻易的写出加法和减法的规则：
template <class T, class D>
quantity<T,D>
operator+(quantity<T,D> x, quantity<T,D> y)
{
return quantity<T,D>(x.value() + y.value());
}
template <class T, class D>
quantity<T,D>
operator-(quantity<T,D> x, quantity<T,D> y)
{
return quantity<T,D>(x.value() - y.value());
}
这样，我们就可以写出类似下面的代码：
quantity<float,length> len1(1.0f);
quantity<float,length> len2(2.0f);
len1 = len1 + len2; //ok
并且，我们不能将不同单位的量相加：
len1 = len1 = quantity<float,mass>(3.7f); //error
3.1.4 实现乘法
乘法比加减法复杂一些。到目前为止，运算的参数和结果的单位都是一样的，但是做乘法时，结果的单位往往和两个参数的单位都不相同。对于乘法，下面的式子：
(Xa)(Xb) = X(a+b)
意味着结果的单位的指数为相应参数的单位的指数和。商与此类似，为指数差。
为此，我们使用MPL的transform算法来将两个序列中的对应元素相加。transform是个元函数，它遍历两个并行的输入序列，对于每个位置将两个序列中的对应元素传给一个任意的（用户提供的）二元元函数，并且将结果存入一个输出序列。
template <class Sequence1,
class Sequence2,
class BinaryOperation
>
struct transform; //return a sequence
如果你熟悉STL的transform算法的话，上面的struct transform的形式对于你可能并不陌生，STL的transform算法接受两个运行期的输入序列：
template <
class InputIterator1, class InputIterator2
, class OutputIterator, class BinaryOperation
>
void transform(
InputIterator1 start1, InputIterator2 finish1
, InputIterator2 start2
, OutputIterator result, BinaryOperation func);
现在我们只需要向mpl::transform传递一个用于对单位进行乘除法（通过对两个序列的对应元素相加减）的BinaryOperation。如果你查看MPL的参考手册，你会看到plus和minus两个元函数刚好可以满足要求：
#include <boost/static_assert.hpp>
#include <boost/mpl/plus.hpp>
#include <boost/mpl/int.hpp>
namespace mpl = boost::mpl;
BOOST_STATIC_ASSERT((
mpl::plus<
mpl::int_<2>
, mpl::int_<3>
>::type::value == 5
));
BOOST_STATIC_ASSERT是一个宏，如果其参数为false，则会导致一个编译期错误。双括号是必要的，因为C++预处理器不能解析模板：如果不多加一对括号，那么它会将隔开模板参数的逗号当成隔开宏参数的逗号，从而将条件表达式错误地解析为若干宏参数。这和运行期的assert(...)不一样（后者是由C++编译期解析的，可以识别一切表达式——译注），BOOST_STATIC_ASSERT也可以用于类的定义域中，从而允许我们将其置于元函数中。第8章对此有更深入的讨论。
到目前为止，看起来我们已经有了一个解决方案，像这样：
#include <boost/mpl/transform.hpp>
template <class T, class D1, class D2>
quantity<
T
, typename mpl::transform<D1,D2,mpl::plus>::type
>
operator*(quantity<T,D1> x, quantity<T,D2> y) { ... }
但是很抱歉，这还不够！现在如果你试图使用这个operator*，你会得到一个编译错误，原因就在于你将mpl::plus直接传给了mpl::transform，而(MPL的)规定却说元函数的参数必须是类型，但mpl::plus却不是类型，而是一个类模板。所以我们必须通过某种方式让类似plus这样的元函数满足这种元数据（metadata）模型。
从某种意义上说，这就要求在元函数和元数据之间引入多态，一个很自然的途径是使用外覆类惯用手法——在前面的代码中，这种惯用手法曾在类型和整型常量之间引入了多态。而现在，我们将一个类模板内嵌于一个所谓的元函数类[7]中：
struct plus_f
{
template <class T1, class T2>
struct apply
{
typedef typename mpl::plus<T1,T2>::type type;
};
};
定义：元函数类是指内嵌有名为apply的public 元函数的类。
虽然元函数是模板而非类型，但是元函数类却以一个普通的非模板类将其包覆起来，使其成为一个类型。因为元函数操作和返回的都是类型，所以元函数类也可以被作为参数传递给另一个元函数，而元函数也可以返回一个元函数类。
从而，我们得到了一个plus_f元函数类，将它作为BinaryOperation传递给mpl::transform不会导致编译错误：
template <class T, class D1, class D2>
quantity<
T
, typename mpl::transform<D1,D2,plus_f>::type //new dimensions
>
operator*(quantity<T,D1> x, quantity<T,D2> y)
{
typedef typename mpl::transform<D1,D2,plus_f>::type dim;
return quantity<T,dim>( x.value() * y.value() );
}
现在，如果我们计算一个5公斤的膝上型计算机的重力，也就是说，将重力加速度乘以质量：
quantity<float,mass> m(5.0f);
quantity<float,acceleration> a(9.8f);
std::cout << "force = " << (m * a).value();
我们自定义的operator*会将这些运行期的值相乘（结果为49f），而我们的元程序代码则会通过transform将表现基本单位的元序列进行指数相加，所以结果类型为一个新的单位，其表示像这样：
mpl::vector_c<int,1,1,-2,0,0,0,0> //kgms-2
然而，如果我们试图写：
quantity<float,force> f = m*a;
我们会遇到一点问题。尽管m*a的结果的确表示：质量，长度，时间的指数分别为1,1,-2，然而transform返回的类型却并非vector_c。相反，transform处理它的输入元素，并以恰当的元素创建一个新的序列：这个新序列和mpl::vector_c<int,1,1,-2,0,0,0,0>具有几乎相同的属性，但它们却是完全不同的C++类型。如果你想要知道新序列的全名，你可以尝试编译这个例子，然后查看错误信息，但是确切的细节并不重要。关键的问题是force的类型和新序列的类型不同，所以赋值会失败。
为了解决这个问题，我们可以添加一个从乘法的结果类型到quantity<float,force>的隐式转换。由于我们无法预测介入计算的单位的确切类型（从而也就无法预测计算的结果的单位——译注），所以这个转换必须为模板形式的，像这样：
template <class T, class Dimensions>
struct quantity
{
// converting constructor
template <class OtherDimensions>
quantity(quantity<T,OtherDimensions> const& rhs)
: m_value(rhs.value())
{
}
...
然而，很不幸的是，这样一个通用的转换彻底违背了我们原来的意图，一旦有了这个转换，我们就可以写出下面的代码：
//m*a的结果应该是力(force)，而非质量(mass)！
quantity<float,mass> bogus = m * a;
这简直糟透了！
幸运的是，我们可以通过另一个MPL算法——equal——来解决这个问题，equal用于测试两个序列是否具有相同的一集元素：
template <class OtherDimensions>
quantity(quantity<T,OtherDimensions> const& rhs)
: m_value(rhs.value())
{
BOOST_STATIC_ASSERT((
mpl::equal<Dimensions,OtherDimensions>::type::value
));
}
现在，如果两个单位不匹配，那么这个assertion就会导致一个编译错误，及时阻止你的错误行为。
3.1.5 实现除法
除法和乘法类似，乘法将指数相加，而除法将指数相减。显然，作除法的元函数类minus_f完全可以按照plus_f的形式来写，但这里我们将使用一个新的技巧来让minus_f元函数类更为简单：
struct minus_f
{
template <class T1, class T2>
struct apply
: mpl::minus<T1,T2> {};
};
这里，minus_f::apply使用了继承来将其基类mpl::minus的“type”内嵌类型暴露出来。这样我们就不必写：
typedef typename ...::type type
这个强有力的简化代码的手法被称为元函数转发。后面我们还会频繁使用它。注意，我们不用在apply的基类mpl::minus<T1,T2>前面加上typename（加了反而会错），因为编译器知道apply的基类列表中只可能有类型。
尽管有这样的语法技巧来简化代码，但一遍遍地写这些简单之极的外覆类仍然会很快让人感到厌烦。虽然minus_f没有plus_f那么臃肿，但你仍要为此写一堆代码。幸运的是，MPL为我们提供了简单得多的办法，我们用不着写一整个的元函数类（如minus_f），而是可以“直接”将元函数传给算法，例如，我们可以这样调用mpl::transform：
typename mpl::transform<D1,D2,mpl::minus<_1,_2> >::type
其中有两个看起来很奇怪的参数（_1和_2），它们被称为占位符，这里它们的意思是：当transform的BinaryOperation被调用时，其第一第二个参数会被相应地传递到minus的_1和_2处。而mpl::minus<_1,_2>则被称为占位符表达式。
附注：MPL的占位符位于mpl::placeholders名字空间内，定义在boost/mpl/placeholder.hpp文件中。在本书中，我们会假定你已经写了如下代码：
#include<boost/mpl/placeholder.hpp>
using namespace mpl::placeholders;
这样，像_1,_2这样的占位符才能够不加名字空间限定的访问。
使用占位符后的operator/像这样：
template <class T, class D1, class D2>
quantity<
T
, typename mpl::transform<D1,D2,mpl::minus<_1,_2> >::type
>
operator/(quantity<T,D1> x, quantity<T,D2> y)
{
typedef typename
mpl::transform<D1,D2,mpl::minus<_1,_2> >::type dim;
return quantity<T,dim>( x.value() / y.value() );
}
代码明显变得更为简洁了（因为用不着额外定义一个minus_f类）。我们还可以将计算新单位的代码分解到一个新的元函数中，这样代码将继续得到简化：
template <class D1, class D2>
struct divide_dimensions
: mpl::transform<D1,D2,mpl::minus<_1,_2> > //再次转发
{};
template <class T, class D1, class D2>
quantity<T, typename divide_dimensions<D1,D2>::type>
operator/(quantity<T,D1> x, quantity<T,D2> y)
{
return quantity<T, typename divide_dimensions<D1,D2>::type>(
x.value() / y.value());
}
现在我们可以验证膝上型计算机的重力是否计算正确，通过一个逆向的计算，我们得到其质量，然后将它与条件给出的计算机质量比较：
quantity<float,mass> m2 = f/a;
float rounding_error = std::abs((m2-m).value());
如果一切正常，那么rounding_error会非常接近0。这些计算虽令人厌烦，但是如果它们出错则往往会破坏整个程序（甚至更糟）。如果我们将f/a错写成了a/f，我们会得到一个编译错误，及时防止错误在整个程序中蔓延。
[1] 译注：MPL是Boost库里面的一个子库。用于支持模板元编程。下文会多次提到这个MPL库。
[2] 译注：这里原文为Dimensional Analysis，这里的Dimensional并非作通常意义上的“维度”解释。而是作为物理上的“单位”解释，因为下文讲的正是如何在编译期对物理量进行单位检查，进而实现一个编译期的健全的单位系统。Dimensional Analysis的正式称呼为“量纲分析”，太学术化，所以这里我们用通常物理上的称呼。
[3] 将1/x看成x的－1次方。由此，m/s2可以写成ms-2，就由商的形式变成了积的形式。
[4] 译注：作者的意思是“让每个不同的单位成为不同的类型”。
[5] 译注：这里的原文是“...represent numbers”，直译为“...表示数值”，但这里的意思其实是表示数值的单位。
[6] namespace alias=namespace-name;将alias声明为namespace-name的别名。在本书的许多例子中都会使用mpl::来表示boost::mpl::。
[7] 译注：元函数本身是个类模板。而元函数类是个类型，它将元函数内嵌为一个名为apply的类模板，这两个称呼在后面将会多次提到，请读者注意它们的区别。
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