【C++基础知识】C++ 模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）技术详解

模板元编程技术随着 C++ 标准的演进不断发展，以下是各技术及其引入版本的详细说明：

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1. 基础模板技术（C++98/03 时代）

(1) 类型萃取（Type Traits）

• 引入版本：部分在 C++98，完整化于 C++11 <type_traits>
• 示例：

  // C++11
  static_assert(std::is_integral<int>::value, ""); // C++11
  static_assert(std::is_integral_v<int>);         // C++17 引入 _v 后缀
  

(2) SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）

• 引入版本：C++98（标准未明确命名，但支持该行为）
• 标准化工具：
  • std::enable_if（C++11）
  • std::void_t（C++17）

(3) 递归模板（Recursive Templates）

• 引入版本：C++98（经典模板元编程基础）
• 示例：

  // C++98 编译期阶乘计算
  template<int N> struct Factorial { static const int value = N * Factorial<N-1>::value; 
  };
  

(4) 特化与偏特化（Specialization）

• 引入版本：C++98
• 用途：针对特定类型定制模板行为

  template<typename T> struct Foo;    // 主模板
  template<> struct Foo<int> { ... }; // 全特化 (C++98)
  template<typename T> struct Foo<T*> { ... }; // 偏特化 (C++98)
  

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2. 现代模板技术（C++11/14/17）

(5) 可变参数模板（Variadic Templates）

• 引入版本：C++11
• 关键语法：template<typename... Args>
• 示例：

  // C++11 可变参数模板
  template<typename... Args> 
  void print(Args... args);
  

(6) 折叠表达式（Fold Expressions）

• 引入版本：C++17
• 语法：

  (args + ...);    // 一元右折叠 (C++17)
  (..., print(args)); // 逗号折叠 (C++17)
  

(7) constexpr 增强

• C++11：基础 constexpr 函数

  constexpr int square(int x) { return x * x; } // C++11
  

• C++14：放宽限制（支持局部变量、循环等）

  constexpr int factorial(int n) { // C++14int res = 1;for (int i = 1; i <= n; ++i) res *= i;return res;
  }
  

• C++17：if constexpr（编译期分支）

  template<typename T> auto get_value(T t) {if constexpr (std::is_pointer_v<T>) return *t; // C++17else return t;
  }
  

(8) 变量模板（Variable Templates）

• 引入版本：C++14
• 示例：

  template<typename T> constexpr bool is_pointer_v = std::is_pointer<T>::value; // C++14
  

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3. 高级模式与编译期计算（C++11/14/17）

(9) CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）

• 引入版本：模式在 C++98 已有实践，标准化应用在 C++11（如 std::enable_shared_from_this）

(10) 标签分发（Tag Dispatching）

• 引入版本：C++98（基于特化），与 constexpr if（C++17）结合更强大

  // C++17 结合 if constexpr
  template<typename T> void process(T x) {if constexpr (std::is_integral_v<T>) fast_path(x);else slow_path(x);
  }
  

(11) 编译期字符串（Compile-Time String Processing）

• 基础：C++11（constexpr 函数）
• 增强：C++17（constexpr lambda、非类型模板参数扩展）

  // C++17 编译期字符串哈希
  template<size_t N> constexpr size_t hash(const char (&s)[N]) {size_t res = 0;for (size_t i = 0; i < N; ++i) res ^= s[i];return res;
  }
  

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4. 现代替代方案（C++20）

(12) Concepts

• 引入版本：C++20
• 用途：替代 SFINAE，约束模板参数

  template<typename T>
  concept Integral = std::is_integral_v<T>; // C++20template<Integral T> void foo(T x); // 更清晰的约束
  

(13) constexpr 容器与算法

• 引入版本：C++20
• 示例：

  constexpr std::vector<int> v = {1, 2, 3}; // C++20
  constexpr auto sum = std::accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
  

(14) 非类型模板参数扩展

• C++17：允许 auto 非类型参数

  template<auto N> struct Foo { }; // C++17
  Foo<42> f1; Foo<'a'> f2;
  

• C++20：支持浮点数、类类型等

  template<std::floating_point T> struct Bar; // C++20
  

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版本总结表

技术	引入版本	关键改进版本
类型萃取	C++98	C++11 (<type_traits>)
SFINAE	C++98	C++11 (std::enable_if)
递归模板	C++98	—
可变参数模板	C++11	C++17 (折叠表达式)
constexpr 函数	C++11	C++14/C++17/C++20
折叠表达式	C++17	—
CRTP	C++98	C++11 (标准化应用)
Concepts	C++20	—
编译期字符串	C++11	C++17 (增强)
if constexpr	C++17	—

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演进趋势

1. C++98/03：基础模板元编程（递归、特化）
2. C++11/14：现代化（可变参数、constexpr、类型萃取）
3. C++17：简化（折叠表达式、if constexpr）
4. C++20：革命性改进（Concepts、constexpr 容器）

现代 C++ 更倾向于使用 constexpr 和 Concepts 替代传统 TMP，但经典技术仍是底层库设计的核心工具。