最近一直在看STL和Boost，源码里边好多涉及到模板元编程技术，简单了解一下，备忘（Boost Python中的涉及模板元的部分重点关注一下）。

范例引入

主要思想

利用模板特化机制实现编译期条件选择结构，利用递归模板实现编译期循环结构，模板元程序则由编译器在编译期解释执行。

优劣及适用情况

通过将计算从运行期转移至编译期，在结果程序启动之前做尽可能多的工作，最终获得速度更快的程序。也就是说模板元编程的优势在于：

　　1.以编译耗时为代价换来卓越的运行期性能（一般用于为性能要求严格的数值计算换取更高的性能）。通常来说，一个有意义的程序的运行次数（或服役时间）总是远远超过编译次数（或编译时间）。

　　2.提供编译期类型计算，通常这才是模板元编程大放异彩的地方。

模板元编程技术并非都是优点：

　　1.代码可读性差，以类模板的方式描述算法也许有点抽象。

　　2.调试困难，元程序执行于编译期，没有用于单步跟踪元程序执行的调试器（用于设置断点、察看数据等）。程序员可做的只能是等待编译过程失败，然后人工破译编译器倾泻到屏幕上的错误信息。

　　3.编译时间长，通常带有模板元程序的程序生成的代码尺寸要比普通程序的大，

　　4.可移植性较差，对于模板元编程使用的高级模板特性，不同的编译器的支持度不同。

总结：

模板元编程技术不适用普通程序员的日常应用，它常常会做为类库开发的提供技术支持，为常规模板代码的内核的关键算法实现更好的性能或者编译期类型计算。模板元程序几乎总是应该与常规代码结合使用被封装在一个程序库的内部。对于库的用户来说，它应该是透明的。

工程应用实例

1. Blitz++：由于模板元编程最先是因为数值计算而被发现的，因此早期的研究工作主要集中于数值计算方面，Blitz++库利用模板将运行期计算转移至编译期的库，主要提供了对向量、矩阵等进行处理的线性代数计算。

2.Loki：将模板元编程在类型计算方面的威力应用于设计模式领域，利用元编程（以及其他一些重要的设计技术）实现了一些常见的设计模式之泛型版本。Loki库中的Abstract Factory泛型模式即借助于这种机制实现在不损失类型安全性的前提下降低对类型的静态依赖性。

3.Boost：元编程库目前主要包含MPL、Type Traits和Static Assert等库。 Static Assert和Type Traits用作MPL的基础。Boost Type Traits库包含一系列traits类，用于萃取C++类型特征。另外还包含了一些转换traits（例如移除一个类型的const修饰符等）。Boost Static Assert库用于编译期断言，如果评估的表达式编译时计算结果为true，则代码可以通过编译，否则编译报错。

技术细节

模板元编程使用静态C++语言成分，编程风格类似于函数式编程，在模板元编程中，主要操作整型（包括布尔类型、字符类型、整数类型）常量和类型，不可以使用变量、赋值语句和迭代结构等。被操纵的实体也称为元数据（Metadata），所有元数据均可作为模板参数。

由于在模板元编程中不可以使用变量，我们只能使用typedef名字和整型常量。它们分别采用一个类型和整数值进行初始化，之后不能再赋予新的类型或数值。如果需要新的类型或数值，必须引入新的typedef名字或常量。

其它范例

References：

http://club.topsage.com/thread-421469-1-1.html

http://wenku.baidu.com/view/c769720df78a6529647d539d.html

Blitz++： http://www.oonumerics.org/blitz .
Loki ：http://sourceforge.net/projects/loki-lib

Boost：http://www.boost.org/

1 struct SA {
2  int i;
3 };
4 const SA ra;
5 //ra.i = 10; //直接修改const类型，编译错误
6 SA &rb = const_cast<SA&>(ra);
7 rb.i = 10;

1 int n = 6;
2 double d = static_cast<double>(n); // 基本类型转换
3 int *pn = &n;
4 double *d = static_cast<double *>(&n) //无关类型指针转换，编译错误
5 void *p = static_cast<void *>(pn); //任意类型转换成void类型

 1 class BaseClass {
 2 public:
 3 int m_iNum;
 4 virtual void foo(){}; //基类必须有虚函数。保持多台特性才能使用dynamic_cast
 5 };
 6 
 7 class DerivedClass: public BaseClass {
 8 public:
 9 char *m_szName[100];
10 void bar(){};
11 };
12 
13 BaseClass* pb = new DerivedClass();
14 DerivedClass *pd1 = static_cast<DerivedClass *>(pb); //子类->父类，静态类型转换，正确但不推荐
15 DerivedClass *pd2 = dynamic_cast<DerivedClass *>(pb); //子类->父类，动态类型转换，正确
16 
17 BaseClass* pb2 = new BaseClass();
18 DerivedClass *pd21 = static_cast<DerivedClass *>(pb2); //父类->子类，静态类型转换，危险！访问子类m_szName成员越界
19 DerivedClass *pd22 = dynamic_cast<DerivedClass *>(pb2); //父类->子类，动态类型转换，安全的。结果是NULL

1 int doSomething(){return 0;};
2 typedef void(*FuncPtr)(); //FuncPtr is 一个指向函数的指针，该函数没有参数，返回值类型为 void
3 FuncPtr funcPtrArray[10]; //10个FuncPtrs指针的数组 让我们假设你希望（因为某些莫名其妙的原因）把一个指向下面函数的指针存入funcPtrArray数组：
4 
5 funcPtrArray[0] = &doSomething;// 编译错误！类型不匹配，reinterpret_cast可以让编译器以你的方法去看待它们：funcPtrArray
6 funcPtrArray[0] = reinterpret_cast<FuncPtr>(&doSomething); //不同函数指针类型之间进行转换

将 cout 的 flag 保存到变量, 以便修改后的恢复

    ostream::fmtflags old = cout.flag() ;        // 无参将返回当前 flag 值
    cout.flag(old) ;                            // 恢复到原先保存的值

将 bool 值以 literals 输出

cout <<"numeric : " <<true <<" or " <<false <<endl ;              // 1 or 0
cout <<"literals : " <<boolalpha <<true <<" or " <<false <<endl ; // true or false
cout <<"literals : " <<boolalpha <<0 <<endl ;                     // 0    原因: 0 在cout中不等价于 false

一旦我们使用 boolalpha 将改变 cout 对 bool 值的输出格式. 此后的 cout 都会将 bool 输出为 literals.

将 bool 值以 numeric 输出

    cout <<"numeric : " <<noboolalpha <<true <<" or " <<false <<endl ;// 1 or 0

从此以后, cout 对 bool 值的输出将恢复 numeric 格式

指定 Integral Values 的 Base

    const int ival = 17 ;        // 'ival' is constant, so value never change
    cout <<"oct : " <<oct <<ival <<endl ;        // 21 : 8 进制
    cout <<"dec : " <<dec <<ival <<endl ;        // 17 : 10 进制
    cout <<"hex : " <<hex <<ival <<endl ;        // 11 : 16 进制
    cout <<"hex : " <<hex <<17.01 <<endl ;        // 17.01 : 不受影响

显示表明 Integer Values 的 Base

    cout <<showbase ;                            // Show base when printing integral values
    cout <<"oct : " <<oct <<ival <<endl ;        // 21 : 8 进制
    cout <<"dec : " <<dec <<ival <<endl ;        // 017 : 10 进制
    cout <<"hex : " <<hex <<ival <<endl ;        // 0x11 : 16 进制
    cout <<"hex : " <<hex <<17.01 <<endl ;        // 17.01 : 不受影响
    cout <<noshowbase ;                            // Reset state of the stream

若想改变16进制字母的大小, 可以结合 uppercase/nouppercase

    cout <<showbase <<uppercase ;
    cout <<"hex : " <<hex <<15 <<endl ;            // 0XF 大写形式
    cout <<nouppercase ;
    cout <<"hex : " <<hex <<15 <<endl ;            // 0xf 小写形式

showbase 与 noshowbase 的作用周期也是 persistent

对于 float/double 型, 有三种格式化控制

一: 输出精度 precision : by default is 6 pricision
   控制了至多一共会输出多少个数字.  
   当要输出的数字多余指定的值时, 将发生 四舍五入(rounded);  
   当要输出的数字少于指定的值时, 则实际输出的数字个数将少于指定值.

// cout.pricision(4) ;                         // 等价于 cout <<setprecision(4) ;
cout <<setprecision(4) <<12.345678 <<endl ;    // 12.35  rounded!
cout <<setprecision(10) <<12.345678 <<endl ;   // 12.345678 其实内部发生了 rounded, 而结果正好进位, 与原值相同
cout <<cout.precision() <<endl ;               // 输出当前精度

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 二: 表现形式 notation : 'very large and very small values are printed using scientific notation. other values use fixed decimal.'
   notation 控制了输出的形式 : 科学计数法(scientific) 和 定点小数(fixed)

float f = 101 / 6.0 ;
cout <<fixed <<f <<endl ;           // 16.83334 : 小数点后共6位
cout <<scientific <<f <<endl ;      // 1.683333e+001 : 小数点后共6位

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  恢复到初始状态

cout.unsetf(ostream::floatfield) ;  // Retrieve to default handling for notation
cout <<f <<endl ;                   // 16.8333 : 所有数字共6位

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 三: 输出十进制浮点 'By default, when the fractional part of a floating-point value is 0, the decimal point is not displayed. The showpoint manipulator forces the decimal point ot be printed.'

cout <<10.0 <<endl ;                // 10
cout <<showpoint <<10.0 <<endl ;    // 10.0000
cout <<noshowpoint <<endl ;         // Revert to default handling of decimal  

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输出填充 Padding the Output

   setw to specify the minimum space for the next numeric or string value.

cout <<setw(10) <<12.3 <<endl ;     // ______12.3
cout <<setw(10) <<12 <<3 <<endl ;   // ________123

cout <<setw(3) <<12.345 <<endl ;    // If the total output is more than 3, it can be extended

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   left to left-justify the output.

    cout <<left ;                                 // left-justify
    cout <<setw(5) <<12 <<setw(5) <<34 <<endl ;   // 12___34___

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   right to right-justify the output. Output is right-justified bu default.

cout <<right ;                                // By default
cout <<setw(5) <<12 <<setw(5) <<34 <<endl ;   // 12___34___

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   internal controls placement of the sign on negative value. internal left-justifies the sign and right-justifies the value, padding any intervening space with blanks.(if setfill not set) 

cout <<internal ;               // By default
cout <<setw(5) <<-12 <<endl ;   // 12___34___

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   setfill lets us specify an alternative character to use when padding the output. By default, the value is a space.

cout <<setfill('*') ;          // By default
cout <<setw(5) <<12 <<endl ;   // 12___34___

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Header Files

   Manipulators Defined in <iomanip>

setfill(char ch)        Fill whitespace with 'ch'
setprecision(int n)     Set floating-point precision to 'n'
setw(int w)             Read or write value to 'w' characters
setbase(int b)          Output integers in base 'b'(only 'b' is 8/10/16 could the function work)

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