元函数于type_traits

元函数简介

C++的元编程是一种函数式编程，这里的函数更接近数学意义上的函数–是无副作用的映射。如果函数存在副作用，那么通常是由于存在某些维护了系统状态的变量导致的，这样的函数称为有副作用的函数。

元函数会在编译期被调用和执行。在编译阶段，编译器只能构造常量作为其中间结果，无法构造并维护记录系统状态的变量，因此编译器可以使用的函数（即元函数）只能是无副作用的函数。

//定义一个函数，满足无副作用的限制，可以作为元函数使用。    
constexpr int func(int a){ return a + 1;}

• const和constexpr的关系

其中的constexpr为C++11的关键字，表明这个函数可以在编译期被调用，是一个元函数。如果去掉这个关键字，那么函数将只能用于运行期，虽然它具有无副作用的性质，但也无法编译期调用。如果有constexpr关键字但是不满足“无副作用”的性质，那么将无法通过编译。

关键字const是一种类型修饰符，用于表示变量的值在初始化后不能被改变。const在运行时初始化，一旦初始化就不能改变。在某些情况下（全局、局部静态变量）编译器可能将const变量视为编译时常量，但是依赖上下文。

CRE：也就是const可以是运行时常量也可以是编译期常量。但是constexpr限定为编译期常量。
知乎：这其实是一个遗留的命名问题，const其实是readonly，constexpr才是const。

类型元函数

元编程的核心是元函数，元函数的输入、输出形式可以有很多种，数值只是其中一种，也可以将类型作为元函数的输入或输出。

• 示例

//元函数定义  
template<typename T>
struct _Func{ using type = T; };
template<>
struct _Func<int>{ using type = unsigned int; };
template<>
struct _Func<long>{ using type = unsigned long; };

//元函数调用  
_Func<int>::type h = 3;

Func与C++一般意义的函数完全不同，但是Func具备了一个元函数所需要的全部性质：

1. 输入为某个类型T。（以模板参数形式传递到Func模板中）
2. 输出为Func模板的内部类型type。
3. 映射体现为模板通过特化实现类型转换逻辑。

元函数不限制映射的表示形式，可以是constexpr函数、也可以是内嵌type的模板，乃至其他形式的“函数”，只要无副作用，同时可以编译时期调用，都视作元函数。
元函数不限制输入和输出的形式，可以是数值、类型甚至模板。

//另一种元函数，用于简化模板的使用    
template<typename T>
using Func = typename _Func<T>::type;
//调用  
Func<int> h = 3;

各式各样的元函数

只要确保所构造的映射是“无副作用”的，可以在编译期调用，用于对编译器乃至运行期的程序行为产生影响，那么相应的映射都可以称为元函数。

CRE：元函数不一定是个C++函数。

//无参元函数  
struct Func { using type = int; }
constexpr int func() { return 10; }

//基于C++14的constexpr的扩展的元函数    
template<int a>
constexpr int fun = a + 1;

//多返回值  
template<>
struct _Func<int>
{
    using reference_type = int&;
    using const_reference_type = const int&;
    using value_type = int;
}

type_traits

一个重要的元函数库：type_traits。它是由boost引入的，C++11纳入其中。通过头文件type_traits来引入相应功能。这个库实现了类型变换、类型比较与判断等。

std::remove_reference<int&>::type  h1 = 3;
std::remove_reference_t<int&>  h2 = 3;

元函数与宏

理论上宏也可以被视为一类元函数。但讨论元函数时一般不包括宏，因为宏是由预处理器而非编译器解析的，很多编译期特性宏是无法使用的。

参考

《C++模板元编程实战》 – 李伟

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