Item 48: Be aware of template metaprogramming.

模板元編程（Template Metaprogramming，TMP）就是利用模板來編寫那些在編譯時運行的C++程序。模板元程序（Template Metaprogram）是由C++寫成的，運行在編譯器中的程序。當程序運行結束後，它的輸出仍然會正常地編譯。

C++並不是為模板元編程設計的，但自90年代以來，模板元編程的用處逐漸地被世人所發現。

• 模板編程提供的很多便利在面向對象編程中很難實現；
• 程序的工作時間從運行期轉移到編譯期，可以更早發現錯誤，運行時更加高效。
• 在設計模式上，可以基於不同的策略，自動組合而生成具體的設計模式實現。

  靜態類型檢查

  在Item 47中提到了這樣一個std::advance的實現：

  template
  void advance(IterT& iter, DistT d) {
    if (typeid(typename std::iterator_traits::iterator_category) ==
      typeid(std::random_access_iterator_tag)){
        iter += d;
    }
    ...
  }
  
  list::iterator it;
  advance(it, 10);
  

  其實上述代碼是不能編譯的，設想以下advance::iterator, int>中的這條語句：

  iter += d;
  

  list::iterator是雙向迭代器，不支持+=運算。雖然上述語句不會執行，但編譯器不知道這一點。 編譯時這條語句仍然會拋出類型錯誤。

  模板元編程

  TMP後來被證明是圖靈完全的，這意味著TMP可以用來計算任何可計算的問題。你可以聲明變量、執行循環、編寫和調用函數等等。 但它的使用風格和普通C++完全不同。

  我們來看看TMP中如何執行一個循環：

  template
  struct Factorial{
      enum{ value = n * Factorial::value };
  };
  template<>
  struct Factorial<0>{
      enum{ value = 1 };
  };
  
  int main(){
      cout<::value;
  }
  

  這是一個典型的TMP例子，其低位就像是普通編程語言中的”hello world”一樣。

  TMP的用途

  為了更好地理解TMP的重要性，我們來看看TMP能干什麼：

  1. 確保量綱正確。在科學計算中，量綱的結合要始終保持正確。比如一定要單位為”m”的變量和單位為”s”的變量相除才能得到一個速度變量（其單位為”m/s”）。 使用TMP時，編譯器可以保證這一點。因為不同的量綱在TMP中會被映射為不同的類型。
  2. 優化矩陣運算。比如矩陣連乘問題，TMP中有一項表達式模板（expression template）的技術，可以在編譯期去除臨時變量和合並循環。 可以做到更好的運行時效率。
  3. 自定義設計模式的實現。設計模式往往有多種實現方式，而一項叫基於策略設計（policy-based design）的TMP技術可以幫你創建獨立的設計策略（design choices），而這些設計策略可以以任意方式組合。生成無數的設計模式實現方式。