Overview#

C++中经常需要使用数组，无论是使用原生数组，或者STL提供的数据结构。它们都属于运行时数组。

不过，有的时候我们可能会遇到这样的场景，我们可能不需要修改数组里面元素的值，那这样的话，如果我们使用运行时数组，有可能会有一定的浪费。

我们可以使用编译期数组来节省空间。

The Simplest Way#

最简单的方法，是使用下面的形式，直接用一个模板struct，然后将索引特化：

template <int idx> struct CompileTimeArray ;
template <> struct CompileTimeArray<0> { static const int value = 0x123; };
template <> struct CompileTimeArray<1> { static const int value = 0x456; };
template <> struct CompileTimeArray<2> { static const int value = 0x789; };
template <> struct CompileTimeArray<3> { static const int value = 0x987; };
template <> struct CompileTimeArray<4> { static const int value = 0x654; };

在C++17之后，当然也可以直接使用模板变量，但是无论是哪一种，都会有一个问题，就是它比较冗长，需要写的冗余代码比较多。如果我们的开发需要进行一定的修改的话，可能会造成一定的麻烦。

我们来尝试使用模板编程来解决这个问题。

模板元编程#

我们期望的是达到如下的效果：

using MyArray = CompileTimeArray<int, 0, 1, 2, 3, 4>;
std::cout << NthElement<MyArray, 3>  << std::endl;  // 输出3

首先我们来实现CompileTimeArray的定义：

template <typename T, T... N>
struct CompileTimeArray;

接下来的难点是，我们怎么去获取里面的元素，也就是NthElement的实现。

我们首先把CompileTimeArray分割成第一个元素，和第一个元素以外剩下的元素，也就是Front和PopFront。

template<typename List> struct Front;
template<typename List> struct PopFront;

接着，去特化这两个，让这两个去接收CompileTimeArray：

template<typename T, T Head, T... Tail>
struct Front<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  static const T value = Head;
};

template<typename T, T Head, T... Tail>
struct PopFront<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  using type = CompileTimeArray<T, Tail...>;
};

实现好这两个之后，我们就可以反应过来。要得到CompileTimeArray的第3个元素，相当于得到对CompileTimeArry进行PopFront之后，再求其第2个元素，然后再PopFront，再求它的第1个元素，也就是Front元素了。

最后我们来实现NthElement：

template<typename List, int idx>
struct NthElement : 
  public NthElement<typename PopFront<List>::type, idx - 1> {};

上面是递归的查找，最后补全一下递归终点，不过需要注意一下这里需要额外添加一个对CompileTimeArray里面元素类型的推导。

template<typename List> struct ElementTypeOfList;
template<typename T, T Head, T ...Tail>
struct ElementTypeOfList<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  using type = T;
};

最后来完成NthElement的递归终点。

template<typename List>
struct NthElement<List, 0>  {
  using ElementType = typename ElementTypeOfList<List>::type;
  static const ElementType value = Front<List>::value;
};

完整代码#

template <typename T, T... N>
struct CompileTimeArray;

template<typename List> struct ElementTypeOfList;
template<typename List> struct Front;
template<typename List> struct PopFront;

template<typename T, T Head, T ...Tail>
struct ElementTypeOfList<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  using type = T;
};

template<typename T, T Head, T... Tail>
struct Front<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  static const T value = Head;
};

template<typename T, T Head, T... Tail>
struct PopFront<CompileTimeArray<T, Head, Tail...>> {
  using type = CompileTimeArray<T, Tail...>;
};

template<typename List, int idx>
struct NthElement : 
  public NthElement<typename PopFront<List>::type, idx - 1> {};

template<typename List>
struct NthElement<List, 0>  {
  using ElementType = typename ElementTypeOfList<List>::type;
  static const ElementType value = Front<List>::value;
};

测试代码#

int main() {
  using MyArray = CompileTimeArray<uint32_t, 123, 456, 789, 135, 246, 379>;
  std::cout << NthElement<MyArray, 0>::value << std::endl;
  std::cout << NthElement<MyArray, 1>::value << std::endl;
  std::cout << NthElement<MyArray, 2>::value << std::endl;
  std::cout << NthElement<MyArray, 3>::value << std::endl;
  std::cout << NthElement<MyArray, 4>::value << std::endl;
  std::cout << NthElement<MyArray, 5>::value << std::endl;
}