編譯時常量的優化

Question

我想實現一個像std :: pair但有兩個以上組件的類。由於在我的應用程序中可能會發生某些元組件在編譯時已經知道，我想要進行以下空間優化：當我知道某個組件是編譯時常量時，只需將其聲明爲「靜態常量「成員，這樣它就不會浪費存儲在各個類實例中。 const限定符確保在運行時修改該值的任何嘗試都會導致編譯錯誤，至少如果我們排除不禮貌的const_cast（s）。

我結束了下面的實現，一個n元組類

template<typename T0_ = void, 
    typename T1_ = void, 
    typename T2_ = void, 
    typename T3_ = void 
    > class ntuple; 

和一類用於標記編譯時常

template<class type_, type_ value_> class constant 
{ 
    typedef type_ type; 
    static const type value = value_; 
}; 

和一堆n元組類

的部分特例的

template<typename T0_> 
class ntuple< 
T0_ 
> { 
public: 
static const int n=1; 
typedef T0_ T0; 
static const bool is_static = false; 
static const bool is_static0 = false; 
T0_ i0; 
}; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_ 
> 
class ntuple< 
constant<T0_, value0_> 
> { 
public: 
static const int n=1; 
typedef T0_ T0; 
static const bool is_static = true; 
static const bool is_static0 = true; 
static const T0_ i0 = value0_; 
}; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_ 
> const T0_ ntuple< 
constant<T0_, value0_> >::i0; 

template< 
typename T0_, 
typename T1_ 
> 
class ntuple< 
T0_, 
T1_ 
> { 
public: 
static const int n=2; 
typedef T0_ T0; 
typedef T1_ T1; 
static const bool is_static = false; 
static const bool is_static0 = false; 
static const bool is_static1 = false; 
T0_ i0; 
T1_ i1; 
}; 

template< 
typename T0_, 
typename T1_, T1_ value1_ 
> 
class ntuple< 
T0_, 
constant<T1_, value1_> 
> { 
public: 
static const int n=2; 
typedef T0_ T0; 
typedef T1_ T1; 
static const bool is_static = false; 
static const bool is_static0 = false; 
static const bool is_static1 = true; 
T0_ i0; 
static const T1_ i1 = value1_; 
}; 

template< 
typename T0_, 
typename T1_, T1_ value1_ 
> const T1_ ntuple< 
T0_, 
constant<T1_, value1_> >::i1; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_, 
typename T1_ 
> 
class ntuple< 
constant<T0_, value0_>, 
T1_ 
> { 
public: 
static const int n=2; 
typedef T0_ T0; 
typedef T1_ T1; 
static const bool is_static = false; 
static const bool is_static0 = true; 
static const bool is_static1 = false; 
static const T0_ i0 = value0_; 
T1_ i1; 
}; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_, 
typename T1_ 
> const T0_ ntuple< 
constant<T0_, value0_>, 
T1_ >::i0; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_, 
typename T1_, T1_ value1_ 
> 
class ntuple< 
constant<T0_, value0_>, 
constant<T1_, value1_> 
> { 
public: 
static const int n=2; 
typedef T0_ T0; 
typedef T1_ T1; 
static const bool is_static = true; 
static const bool is_static0 = true; 
static const bool is_static1 = true; 
static const T0_ i0 = value0_; 
static const T1_ i1 = value1_; 
}; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_, 
typename T1_, T1_ value1_ 
> const T0_ ntuple< 
constant<T0_, value0_>, 
constant<T1_, value1_> >::i0; 

template< 
typename T0_, T0_ value0_, 
typename T1_, T1_ value1_ 
> const T1_ ntuple< 
constant<T0_, value0_>, 
constant<T1_, value1_> >::i1; 

這樣標記爲常量的成員<。，。>不作爲類成員存儲，因此減少了對象大小。需要的部分專業化的數量可能很大，對於N = 1,2,3,4，我只報告N = 2的2^N：我寫了一個簡單的腳本來生成所有這些。這個類可以使用如下：

ntuple<int, int, bool> tup1; 
tup1.i0=2; 
tup1.i1=0; 
tup1.i2=true; 
assert (tup1.i0==2); 
assert (tup1.i1==0); 
assert (tup1.i2==true); 

ntuple<int, constant<int, 3>, constant<bool, false> > tup2; 
tup2.i0=2; 
// tup2.i1=0; // cannot be assigned, is static a constant 
// tup2.i2=true; // cannot be assigned, is static a constant 
assert (tup2.i0==2); 
assert (tup2.i1==3); 
assert (tup2.i2==false); 

assert (sizeof(tup1)>sizeof(tup2)); 

像這樣，這個類的作品完美。現在，我只是想提高n元組的聲明 語法如下

ntuple<int, int_<3>, bool_<true> > 

，而不是

ntuple<int, constant<int, 3>, constant<bool, true> > 

其中int_和bool_可以定義爲

template<int i> struct int_ : constant<int, i> {}; 
template<bool b> struct bool_ : constant<bool, b> {}; 

我也可以只需使用boost :: mpl類似物，這不是重點。爲了達到這個目的，簡單的解決方案是編寫另一個腳本併爲常量和非常量模板參數的所有排列生成所有可能的特化，其中常量模板參數可以是int_，bool_，char_等。這是可行的，但以成本部分專業化數量的因子增加。我想改變n元組類的定義如下

template<typename T0_ = void, 
typename T1_ = void, 
typename T2_ = void, 
typename T3_ = void, 
bool const0 = is_const<T0_>::value, 
bool const1 = is_const<T1_>::value, 
bool const2 = is_const<T2_>::value, 
bool const3 = is_const<T3_>::value 
> class ntuple; 

與

template <class T> is_const { static const bool value = false; }; 
template <int i> is_const<int_<i> > { static const bool value = true; }; 
template <bool b> is_const<bool_<b> > { static const bool value = true; }; 

，並專注n元組如下

template<typename T0_, 
typename T1_, 
typename T2_, 
typename T3_> class ntuple<T0_,T1_,T2_,T3_,false,false,false,false> { ... }; 

template<typename T0_, 
typename T1_, 
typename T2_, 
typename T3_> class ntuple<T0_,T1_,T2_,T3_,true,false,false,false> { ... }; 

等。這將減少的部分數專業化到與之前相同的數量，並且只需要針對每個有效的「常量」類型對特徵類進行專門化。問題是，我想避免額外的模板參數。我可以通過繼承爲此，限定一輔助類

template<typename T0_ = void, 
typename T1_ = void, 
typename T2_ = void, 
typename T3_ = void, 
bool const0 = is_const<T0_>::value, 
bool const1 = is_const<T1_>::value, 
bool const2 = is_const<T2_>::value, 
bool const3 = is_const<T3_>::value 
> class ntuple_impl; 

如上專門然後

template <class T0, class T1, class T2, class T3> 
class ntuple : ntuple_impl<T0, T1, T2, T3, 
       is_const<T0>::value, 
       is_const<T1>::value, 
       is_const<T2>::value, 
       is_const<T3>::value> { ... }; 

，但我想避免繼承，因爲所得到的物體將是比必要在一些情況下更大的因爲它將包含ntuple_impl作爲子對象。我會知道是否有另一個解決這個問題的方法。謝謝。朱利亞諾

Answer 1

即使這個問題已經過了一歲，我覺得它值得一個正確的答案。

遵循Xeo的想法，您可以以非常簡單的方式完成您想要的任務。 這裏我假設你想要純粹的C++ 03。

首先聲明一個類型還應當僅僅被用作佔位符

struct _; 

申報被解釋爲一個靜態常數類型。

template<typename T, T> 
struct constant; 

請注意，上述任何一個都不需要定義。

下一步是定義將表示元組元素的類型，即實際保存數據的類型。

template<typename T> 
struct element 
{ 
    typedef T type; 
    type value; 
}; 

template<> 
struct element<_>; 

的關鍵點是專門element爲constant和任你挑選其他類型，如int_和bool_你引用。

template<typename T, T val> 
struct element<constant<T, val> > 
{ 
    typedef T const type; 
    static type value = val; 
}; 

template<typename T, T val> 
typename element<constant<T, val> >::type element<constant<T, val> >::value; 

從這一點，定義ntuple很簡單。

template<typename T0_ = _, typename T1_ = _, typename T2_ = _, typename T3_ = _> 
struct ntuple : element<T0_>, ntuple<T1_, T2_, T3_, _> 
{ 
    typedef element<T0_> head; 
    typedef ntuple<T1_, T2_, T3_, _> tail; 
}; 

//nil 
template<> 
struct ntuple<_, _, _, _> 
{}; 

要訪問ntuple存儲的元數據中，一個使用了元函數get_type

template<std::size_t n, typename T> 
struct get_type; 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
struct get_type<n, ntuple<T0, T1, T2, T3> > : get_type<n-1, typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::tail> 
{}; 

template<typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
struct get_type<0, ntuple<T0, T1, T2, T3> > 
{ 
    typedef typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head::type type; 
}; 

同樣地，來訪問運行時間數據，一個使用函數get_value

template<bool cond, typename T> 
struct enable_if 
{ 
}; 

template<typename T> 
struct enable_if<true, T> 
{ 
    typedef T type; 
}; 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
typename enable_if<n, typename get_type<n, ntuple<T0, T1, T2, T3> >::type&>::type 
get_value(ntuple<T0, T1, T2, T3>& tuple) 
{ 
    return get_value<n-1>(static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::tail&>(tuple)); 
} 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
typename enable_if<!n, typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head::type&>::type 
get_value(ntuple<T0, T1, T2, T3>& tuple) 
{ 
    return static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head&>(tuple).value; 
} 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
typename enable_if<n, typename get_type<n, ntuple<T0, T1, T2, T3> >::type const&>::type 
get_value(ntuple<T0, T1, T2, T3> const& tuple) 
{ 
    return get_value<n-1>(static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::tail const&>(tuple)); 
} 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
typename enable_if<!n, typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head::type const&>::type 
get_value(ntuple<T0, T1, T2, T3> const& tuple) 
{ 
    return static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head const&>(tuple).value; 
} 

要計算存儲在元組中的元素的數量，有一個函數叫做get_size

template<std::size_t n, typename T> 
struct get_size_impl; 

template<std::size_t n, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
struct get_size_impl<n, ntuple<T0, T1, T2, T3> > : 
     get_size_impl<n+1, typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::tail> 
{ 
}; 

template<std::size_t n> 
struct get_size_impl<n, ntuple<_, _, _, _> > 
{ 
    static std::size_t const value = n; 
}; 

template<std::size_t n> 
std::size_t const get_size_impl<n, ntuple<_, _, _, _> >::value; 

template<typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
std::size_t get_size(ntuple<T0, T1, T2, T3> const&) 
{ 
    return get_size_impl<0, ntuple<T0, T1, T2, T3> >::value; 
} 

最後operator <<的印刷目的

template<typename Char, typename CharTraits, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
void print_element(std::basic_ostream<Char, CharTraits>& ostream, ntuple<T0, T1, T2, T3> const& tuple) 
{ 
    ostream << static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::head const&>(tuple).value; 
    if(get_size(tuple) > 1) 
     ostream << std::basic_string<Char, CharTraits>(", "); 

    print_element(ostream, static_cast<typename ntuple<T0, T1, T2, T3>::tail const&>(tuple)); 
} 

template<typename Char, typename CharTraits> 
void print_element(std::basic_ostream<Char, CharTraits>& ostream, ntuple<_, _, _, _> const&) 
{ 

} 

template<typename Char, typename CharTraits, typename T0, typename T1, typename T2, typename T3> 
std::basic_ostream<Char, CharTraits>& operator <<(std::basic_ostream<Char, CharTraits>& ostream, ntuple<T0, T1, T2, T3> const& tuple) 
{ 
    ostream << Char('<'); 
    print_element(ostream, tuple); 
    ostream << Char('>'); 
} 

下使用的情況下超負荷說明了如何使用ntuples，並明確了針對性的優化得以實現。

int main() 
{ 
    ntuple<char, int, long> a; 
    ntuple<constant<char, '8'>, int, constant<long, 888> > b; 
    ntuple<constant<char, '9'>, constant<int, 99>, constant<long, 999> > c; 

    assert(sizeof(a) > sizeof(b)); 
    assert(sizeof(b) > sizeof(c)); 

    get_value<0>(a) = '1'; 
    get_value<1>(a) = 10; 
    get_value<2>(a) = 100; 
// get_value<0>(b) = '2'; //assignment of read-only location 
    get_value<1>(b) = 20; 
// get_value<2>(b) = 200; //assignment of read-only location 
// get_value<0>(c) = '3'; //assignment of read-only location 
// get_value<1>(c) = 30;  //assignment of read-only location 
// get_value<2>(c) = 300; //assignment of read-only location 

    std::cout << std::endl; 
    std::cout << "a = " << a << ", length: " << get_size(a) << ", size in bytes: " << sizeof(a) << std::endl; 
    std::cout << "b = " << b << ", length: " << get_size(b) << ", size in bytes: " << sizeof(b) << std::endl; 
    std::cout << "c = " << c << ", length: " << get_size(c) << ", size in bytes: " << sizeof(c) << std::endl; 
} 

這個簡單的例子涵蓋了最多有4個元素的圖元。應該很直接地將它擴展到想要的元素（並且使用編譯器支持）。事實上，使用這種方法不需要任何腳本來生成代碼。