C ++開發人員中有一部分人喜歡模板元編程(TMP)。
還有其他所有C ++開發人員。
雖然我認為自己傾向于狂熱者陣營。但是我遇到過的人，相比于愛好者來說，更多的人對它沒有什么興趣甚至感到厭惡。你是哪個陣營的？
在我看來，TMP之所以無法為許多人接受的原因之一是它通常很晦澀。 有時它看起來像是黑魔法，只保留給可以理解其方言的開發人員的一個非常特殊的亞種。 當然，有時我們會遇到偶爾可以理解的TMP，但是平均而言，我發現它比常規代碼更難理解。
我想指出的是，TMP不必一定是這種方式。
我將向你展示如何使TMP代碼更具表現力。 它并沒有那么難。
TMP通常被描述為C ++語言中的一種語言。 因此，為了使TMP更具表現力，我們只需要應用與常規代碼相同的規則即可。 為了說明這一點，我們將采用一段只有我們最勇敢的人才能理解的代碼，并在其上應用以下兩個表達性準則：
- 選擇好名字，
- 并分離出抽象層次。
我給你說過了，它并沒有那么難。
示例代碼的目的
我們將編寫一個API，以檢查表達式對于給定類型是否有效。
例如，給定類型T，我們想知道T是否可遞增，也就是說，對于類型T的對象t，如下表達式是否合法：
++t
如果T為int，則表達式有效；如果T為std :: string，則表達式無效。
這是實現它的TMP的典型部分：
template< typename, typename = void >
struct is_incrementable : std::false_type { };
template< typename T >
struct is_incrementable<T,
std::void_t<decltype( ++std::declval<T&>() )>
> : std::true_type { };
我不知道你需要多少時間來解析此代碼，但是花了我大量的時間才能全部解決。 讓我們看看如何重新編寫此代碼，以使其更易于理解。
公平地說，我必須說，要了解TMP，你需要了解一些結構。 有點像需要了解“ if”，“ for”和函數重載以了解C ++的知識，TMP具有一些先決條件，例如“ std :: true_type”和SFINAE。 但是，如果你不認識它們，請不要擔心，我將一路向你解釋。
基礎知識
如果您已經熟悉TMP，則可以跳到下一部分。
我們的目標是能夠以這種方式查詢類型：
is_incrementable<T>::value
is_incrementable <T> 是一種類型，具有一個公共布爾成員value，如果T是可遞增的（例如T為int），則為true；否則，則為false（例如T為std :: string）。
我們將使用std :: true_type。 它是僅具有等于true的公共布爾成員值的類型。 在T可以遞增的情況下，我們將從它繼承 is_incrementable <T>。 而且，你已經猜到了，如果T不能遞增，則從std :: false_type繼承。
為了允許有兩個可能的定義，我們使用模板特化。 一種專門繼承自std :: true_type，另一種專門繼承自std :: false_type。 因此，我們的解決方案將大致如下所示：
template<typename T>
struct is_incrementable : std::false_type{};
template<typename T>
struct is_incrementable<something that says that T is incrementable> : std::true_type{};
特化基于SFINAE。 簡而言之，我們將編寫一些代碼，嘗試在特化中自增T。 如果T確實是可遞增的，則此代碼將有效，特化就會實例化（因為它始終優先于主模板）。它會繼承std :: true_type。
另一方面，如果T不可遞增，則特化將無效。 在這種情況下，SFINAE表示無效的實例化不會停止編譯。 它只是被完全丟棄，剩下的唯一模板是主模板，即從std :: false_type繼承。
選一個好名字
文章頂部的代碼使用了std :: void_t。 此結構出現在C ++ 17的標準中，但可以立即在C ++ 11中復制：
template<typename...>
using void_t = void;
void_t只是實例化它傳遞的模板類型，并且從不使用它們。 如果可以的話，它就像模板的代孕母親。
為了使代碼正常工作，我們以這種方式編寫特化代碼：
template<typename T>
struct is_incrementable<T, void_t<decltype(++std::declval<T&>())>> : std::true_type{};
好吧，要了解TMP，還需要了解decltype和declval:decltype返回其參數的類型，而declval <T>（）的作用就像在decltype表達式中實例化了T類型的對象一樣（這很有用，因為我們不需要一定知道T的構造函數是什么樣的）。所以decltype（++ std :: declval <T＆>（））是在T上調用的operator ++的返回類型。
如上所述，void_t只是實例化此返回類型的助手。它不攜帶任何數據或行為，只是一種啟動板，用于實例化由decltype返回的類型。
如果增量表達式無效，則由void_t進行的實例化將失敗，SFINAE啟動，is_incrementable 解析為繼承自std :: false_type的主模板。
這是一個很棒的機制，但我對這個名字有 異議。在我看來，這絕對是錯誤的抽象級別：將其實現為void，但是要做的是嘗試實例化一個類型。通過將這些信息處理為代碼，TMP表達式立即清晰起來：
template<typename...>
using try_to_instantiate = void;
template<typename T>
struct is_incrementable<T, try_to_instantiate<decltype(++std::declval<T&>())>> : std::true_type{};
考慮到使用兩個模板參數的特化，主模板也必須具有兩個參數。 為了避免用戶傳值，我們提供了一個默認類型，即void。 現在的問題是如何命名該技術參數？
解決此問題的一種方法是完全不命名（頂部的代碼使用了此選項）：
template<typename T, typename = void>
struct is_incrementable : std::false_type{};
我認為這是一種說“別看這個，不相關，而且只出于技術原因”的一種方式。 另一種選擇是給它起一個名字，說明它的意思。 第二個參數是嘗試實例化特化形式中的表達式，因此我們可以將此信息寫到名稱中，從而提供到目前為止的完整解決方案：
template<typename...>
using try_to_instantiate = void;
template<typename T, typename Attempt = void>
struct is_incrementable : std::false_type{};
template<typename T>
struct is_incrementable<T, try_to_instantiate<decltype(++std::declval<T&>())>> : std::true_type{};
分離抽象層次
我們可以在這里就完成了。 但是可以說 is_incrementable 中的代碼仍然過于技術化，可能會被推到較低的抽象層。 此外，可以想象，在某個時候我們將需要使用相同的技術來檢查其他表達式，并且最好將檢查機制排除在外，以避免代碼重復。
我們最終將得到類似于is_detected功能的內容。
上面代碼中變化最大的部分顯然是decltype表達式。 因此，讓我們將其作為模板參數放到輸入中。 但是，再次讓我們仔細選擇名稱：此參數表示一個表達式類型。
此表達式本身取決于模板參數。 因此，我們不只是使用類型名作為參數，而是使用模板（因此使用template <typename>類）：
template<typename T, template<typename> class Expression, typename Attempt = void>
struct is_detected : std::false_type{};
template<typename T, template<typename> class Expression>
struct is_detected<T, Expression, try_to_instantiate<Expression<T>>> : std::true_type{};
然后 is_incrementable 就變成了
template<typename T>
using increment_expression = decltype(++std::declval<T&>());
template<typename T>
using is_incrementable = is_detected<T, increment_expression>;
在表達式中允許幾種類型
到目前為止，我們已經使用了僅涉及一種類型的表達式，但是能夠將多種類型傳遞給表達式將是很好的選擇。 例如，用于測試兩種類型是否可相互賦值。
為此，我們需要使用可變參數模板來表示表達式中的類型。 我們想像下面的代碼一樣添加一些點，但是它不起作用：
template<typename... Ts, template<typename...> class Expression, typename Attempt = void>
struct is_detected : std::false_type{};
template<typename... Ts, template<typename...> class Expression>
struct is_detected<Ts..., Expression, try_to_instantiate<Expression<Ts...>>> : std::true_type{};
這是行不通的，因為可變參數包的類型名稱... Ts將占用所有模板參數，因此需要將其放在最后。 但是默認模板參數Attempt也需要放在最后。 所以我們遇到一個問題。
首先，將包移至模板參數列表的末尾，然后刪除“Attempt”的默認類型：
template<template<typename...> class Expression, typename Attempt, typename... Ts>
struct is_detected : std::false_type{};
template<template<typename...> class Expression, typename... Ts>
struct is_detected<Expression, try_to_instantiate<Expression<Ts...>>, Ts...> : std::true_type{};
但是傳遞給Attempt什么類型呢？
第一反應可能是傳void，因為try_to_instantiate的成功分支處理了void，因此我們需要傳遞它以實例化特化模板。
但是我認為這樣做會使調用者撓頭：傳void意味著什么？ 與函數的返回類型相反，void在TMP中并不表示“無”，因為void是一種類型。
因此，給它起一個更好地表達我們意圖的名稱。 有人稱這種事情為“dummy”，但我喜歡給個更準確的名稱：
using disregard_this = void;
但是我猜這個名稱因人而異。
然后可以通過以下方式編寫賦值檢查：
template<typename T, typename U>
using assign_expression = decltype(std::declval<T&>() = std::declval<U&>());
template<typename T, typename U>
using are_assignable = is_detected<assign_expression, disregard_this, T, U>
當然，即使disregard_this通過說我們不需要擔心來讓讀者放心，但它仍然會放在那礙事。
一種解決方案是將其隱藏在間接級別之后：is_detected_impl。 “ impl_”通常在TMP中（以及在其他地方）也意味著“間接級別”。 雖然我覺得這個詞不自然，但我想不出一個更好的名字，而且由于很多TMP代碼都使用它，所以這個名字也約定俗成了。
我們還將利用這種間接級別來獲取:: value屬性，從而避免所有元素在每次使用它時都要調用一次。
最終的代碼如下：
template<typename...>
using try_to_instantiate = void;
using disregard_this = void;
template<template<typename...> class Expression, typename Attempt, typename... Ts>
struct is_detected_impl : std::false_type{};
template<template<typename...> class Expression, typename... Ts>
struct is_detected_impl<Expression, try_to_instantiate<Expression<Ts...>>, Ts...> : std::true_type{};
template<template<typename...> class Expression, typename... Ts>
constexpr bool is_detected = is_detected_impl<Expression, disregard_this, Ts...>::value;
這是如何使用它：
template<typename T, typename U>
using assign_expression = decltype(std::declval<T&>() = std::declval<U&>());
template<typename T, typename U>
constexpr bool is_assignable = is_detected<assign_expression, T, U>;
生成的值可以在編譯時或運行時使用。 以下程序：
// 編譯時使用
static_assert(is_assignable<int, double>, "");
static_assert(!is_assignable<int, std::string>, "");
// 運行時使用
std::cout << std::boolalpha;
std::cout << is_assignable<int, double> << '\n';
std::cout << is_assignable<int, std::string> << '\n';
編譯成功，而且輸出：
true
false
TMP不必那么復雜
誠然，要了解TMP，需要滿足一些先決條件，例如SFINAE等。 但是除此之外，沒有必要把使用TMP的代碼搞的比實際需要的復雜。
考慮一下現在進行單元測試的好習慣：不能因為不是生產代碼，所以我們就降低質量標準。 嗯，對于TMP來說更是如此：這是生產代碼。 因此，讓我們將其與代碼的其余部分一樣對待，并盡最大努力使其表現力更好。 很有可能會吸引更多的人。 社區越豐富，好主意就越多。
