C++模板元编程之使用模板，对数组进行“编译期间求和”

编译期间求值，将计算提前到编译期间进行，可以最大限度地榨干编译器的潜力，提高程序的运行速度，用Andrei Alexanderescu的话说就是“时间花在编译期，就某种意义来说这是‘免费的’”（《C++设计新思维》P55）。所以就有了对数组在编译期间求和的需求。

先上代码，再解释：

#include <iostream>using namespace std;//一个全局的int数组,需要对其求和const int CONST_ARRAY[5]={1,2,3,4,5};//去掉const属性后,编译也可以通过//一个类模板,用于对数组求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;};//通过递归定义模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;//亮点在这里//一个完全特化的类模板,用于结束模板的递归定义template<>struct SumArrInCompilePhaseCls<0>{static const int SUM;};const int SumArrInCompilePhaseCls<0>::SUM=CONST_ARRAY[0];int main(){        //使用模板,进行编译期间的数组求和cout<<SumArrInCompilePhaseCls<4>::SUM<<endl;//结果15}

SUM确实是在编译阶段计算的，因为SUM是static const类型，该类型在编译完成之后，就固定了，无法在运行期间改变！

仔细研究上面一段代码，就会发现，在定义非特化类模板的SUM值时，使用了模板的递归定义：

//通过递归定义模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;

编译器在编译该表达式时，由于SumArrInCompilePhaseCls<index-1>类型未知，所以编译器会生成SumArrInCompilePhaseCls<index-1>，继而生成SumArrInCompilePhaseCls<index-2>，SumArrInCompilePhaseCls<index-3>，……还有好多~。也就是说，该表达式，导致编译器递归生成多个SumArrInCompilePhaseCls模板类，而当index终于递减到0时，即要生成SumArrInCompilePhaseCls<0>时，编译器“惊喜”地发现，SumArrInCompilePhaseCls<0>已经实现了！所以编译器就停止继续生成"SumArrInCompilePhaseCls模板类"了，递归结束了！

由于所有“SumArrInCompilePhaseCls模板类”里的SUM都是static const值，所以对于const值，就可以在编译期间求和。

结束了吗？

木有！

上面的代码有两个小问题：

1、调用时，输入的index如果为负数(比如-1)，编译期间出现递归栈溢出，编译失败！因为负数无法“递减到0"，也就是说，递归不会停止！

2、输入的index超过CONST_ARRAY的上限时(比如5)，尽管编译通过，但是运行结果错误，因为编译期间求和的时候数组越界了！

好了，我们希望对数组求和的时候，可以判断用户的输入是否合法！

可以通过增加一个“编译期间的断言”来解决这两问题，这个断言的源码如下：

//一个编译期间起断言作用的类模板,用于保证数组下标始终非负template<bool isOk>struct CompilePhaseAssertion;template<>struct CompilePhaseAssertion<true>{};

使用的时候，可以这样子：

//一个类模板,用于对数组求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;private:CompilePhaseAssertion<index>=0&&index<sizeof(CONST_ARRAY)/sizeof(int)> IsValidIndex;};

原理很明显了吧？

CompilePhaseAssertion是个类模板，但是并没有定义它！仅仅有一个参数为true的完全特化版本，所以，当模板参数isOk为false时，根本无法生成这种类型的实例，因为没有isOk==false的模板类，因而导致编译报错。

通过在CompilePhaseAssertion中增加CompilePhaseAssertion实例的方式，保证index的范围合法。

修改后的代码如下：

#include <iostream>using namespace std;//一个全局的int数组,需要对其求和int CONST_ARRAY[5]={1,2,3,4,5};//一个编译期间起断言作用的类模板,用于保证数组下标始终非负template<bool isOk>struct CompilePhaseAssertion;template<>struct CompilePhaseAssertion<true>{};//一个类模板,用于对数组求和template<int index>struct SumArrInCompilePhaseCls{static const int SUM;private:CompilePhaseAssertion<index>=0&&index<sizeof(CONST_ARRAY)/sizeof(int)> IsValidIndex;};//通过递归定义模板的方式求SUM的值template<int index>const int SumArrInCompilePhaseCls<index>::SUM=CONST_ARRAY[index]+SumArrInCompilePhaseCls<index-1>::SUM;//一个完全特化的类模板,用于结束模板的递归定义template<>struct SumArrInCompilePhaseCls<0>{static const int SUM;};const int SumArrInCompilePhaseCls<0>::SUM=CONST_ARRAY[0];int main(){//使用模板,进行编译期间的数组求和cout<<SumArrInCompilePhaseCls<4>::SUM<<endl;}

此时，如果使用以下两种方式求和，则编译报错：

cout<<SumArrInCompilePhaseCls<-1>::SUM<<endl;//数组下标为负cout<<SumArrInCompilePhaseCls<5>::SUM<<endl;//数组上界越界

正文完。

参考资料：

1、《C++设计新思维》，Andrei Alexanderescu著，侯捷、於春景译。

2、C++模板元编程技术与应用

3、荣威老师写的其他文章或书籍

4、C++ 的MetaProgramming 入门篇

注意：

以上代码在VS2005和G++中都能编译通过，但是只有G++编译出来的程序才能运行出正确结果（15），VS2005中的结果是错误的（5），原因还不清楚，如果您知道VS2005计算错误的原因，请及时留言通知我，我会非常感激您的！