模板元编程 --- 用 MPL 解决实际问题

在 STL 中有各种容器，而 STL 算法允许我们对容器中的元素做各种操作，下面的程序对于每一个当代的 C++ 程序员都应该是轻而易举的：

#include
#include
#include
#include

using namespace std;

struct print
{
    void operator()(const string& _str)
    {
        cout << _str << endl;
    }
};

int main()
{
    list str_list;
    str_list.push_front("hello");
    str_list.push_front("world");
   
    list another_list;
    another_list.push_back("hello");
    another_list.push_back("world");
   
    for_each(str_list.begin(), str_list.end(), print());
    for_each(another_list.begin(), another_list.end(), print());
}

运行结果：

world
hello
hello
world

简单的东西往往能说明深刻的道理，在这个程序里，我们遇到的本质问题是什么？首先，我们有一个容器；其次，我们可以往容器里面放东西，最后，我们可以通过算法把一个操作施加于这个容器中的每一个（也可以是部分）元素中。这就是上面程序中凝结的本质问题。

MPL 可以看成是 STL 的编译期版本，或者说元编程版本。它同样也提供了各种容器，只不过容纳的对象不是数据，而是类型。它们的构造方式语法上比较类似，或者甚至，我以为，更有趣一点：

#include
#include
#include
#include
#include

using namespace boost;

int main()
{
    typedef mpl::list<> type_list1;
    typedef mpl::push_front::type type_list2;
    typedef mpl::push_front::type type_list;
   
    // 或者这样更好
    typedef mpl::list another_list;
   
    std::cout << typeid(mpl::at_c::type).name() << std::endl;
    std::cout << typeid(mpl::at_c::type).name() << std::endl;
   
    std::cout << typeid(mpl::at_c::type).name() << std::endl;
    std::cout << typeid(mpl::at_c::type).name() << std::endl;
}

稍微解释一下。mpl::list 就是 std::list 的元编程版本，而 mpl::push_front 是什么就不用我说了。mpl::at_c 是一个元编程算法，作用相当于运行期的 [ ] 运算符，也就是得到一个容器中在某个位置上的元素。在 VC7.1 下面，执行结果是

class std::basic_string,class std::allocator >
int
int
class std::basic_string,class std::allocator >

这跟运行期的 list 的行为几乎完全一致。

当然，mpl 也有 for_each ，而且我们也可以为 for_each 提供一个元编程 functor 。什么是元编程 functor ？运行时的 functor 是一个提供了 operator() 重载的 struct ，而元编程 functor 就是一个提供了 operator() 模板的 struct ：

#include
#include
#include
#include
#include
#include

using namespace boost;

struct print
{
    template
    void operator()(const T&)
    {
        std::cout << typeid(T).name() << std::endl;
    }
};

int main()
{
    typedef mpl::list<> type_list1;
    typedef mpl::push_front::type type_list2;
    typedef mpl::push_front::type type_list;
   
    typedef mpl::list another_list;
   
    mpl::for_each(print());
    mpl::for_each(print());
}

输出与上面使用 mpl::at_c 的程序完全相同。

当然，到现在为止，这些程序都还是只停留在纯粹的玩具程序上，能不能做点稍微有用的事情呢？当然可以。假定我们有这样一个继承体系：根是一个抽象类 Product ，它有一些派生类，例如 PC ， Printer 等等，它们的公共方法 SerialNo 会返回自己的产品序列号，而这个序列号是在构造的时候决定的：

class Product
{
public:
    virtual std::string SerialNo()const = 0;
};

class PC : public Product
{
public:
    PC(const std::string& _sn)
        : sn_(_sn)
    {}

    std::string SerialNo()const
    {
        return sn_;
    }
private:
    std::string sn_;
};

class Printer : public Product
{
public:
    Printer(const std::string& _sn)
        : sn_(_sn)
    {}
   
    std::string SerialNo()const
    {
        return sn_;
    }
private:
    std::string sn_;
};

用 mpl::list 把这些类型放在同一个 list 里面当然不在话下，但是我们希望有一个类似 factory 模式的实现，让我们可以自由创建它们。下面的程序用 mpl::for_each 为 list 中的每一个类型创建一个实例，它当然可以被扩展来做些很有用的事情。

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

using namespace boost;

class Product
{
public:
    virtual std::string SerialNo()const = 0;
};

class PC : public Product
{
public:
    PC(const std::string& _sn)
        : sn_(_sn)
    {}

    std::string SerialNo()const
    {
        return sn_;
    }
private:
    std::string sn_;
};

class Printer : public Product
{
public:
    Printer(const std::string& _sn)
        : sn_(_sn)
    {}
   
    std::string SerialNo()const
    {
        return sn_;
    }
private:
    std::string sn_;
};

struct print
{
    template
    void operator()(const T& product)
    {
        std::cout << "Type: " << typeid(T).name()
                  << " SerialNo: " << product.SerialNo() << std::endl;
    }
};

// 由于 PC 和 Print 都没有默认的 constructor ，必须加上这个
template
struct wrap {};

struct Create
{
    Create(const std::string& _line)
        : line_(_line)
        , serial_(0)
    {}
   
    template
    void operator()(wrap)
    {
        std::stringstream ss;
        ss << line_ << '_' << serial_++;
        shared_ptr product(new T(ss.str()));
       
        print()(*product);
    }
   
    std::string line_;
    unsigned long serial_;
};

int main()
{  
    typedef mpl::list product_list;
   
    mpl::for_each >(Create("line1"));
}

输出：

Type: class Printer SerialNo: line1_0
Type: class PC SerialNo: line1_1