C++ DSEL (Domain Specific Embedded Language) with TMP：在 C++ 中嵌入 DSL

好的，让我们开始这场 C++ 模板元编程（TMP）与领域特定嵌入式语言（DSEL）的奇妙之旅。准备好你的咖啡，这会是一场烧脑但绝对值得的探险！

大家好！欢迎来到“C++ DSEL：模板元编程的魔法世界”讲座！

今天，我们要聊的是一个听起来很高大上，但实际上非常实用的主题：如何利用 C++ 的模板元编程（TMP）来打造领域特定嵌入式语言（DSEL）。简单来说，就是用 C++ 写一种“迷你语言”，专门解决某个特定领域的问题。

什么是 DSEL？为什么要用 C++ 和 TMP？

想象一下，你是一个游戏开发者，需要频繁地定义游戏角色的动画序列。如果每次都用原始的 C++ 代码来写，那简直是噩梦。如果能有一种“动画语言”，专门用来描述动画，那就太棒了！这就是 DSEL 的魅力。

DSEL (Domain Specific Embedded Language)： 是一种专门为特定领域设计的语言，它嵌入在宿主语言（比如 C++）中。
TMP (Template Metaprogramming)： 是一种在编译期执行计算的技术。它允许我们用 C++ 的模板来编写在编译时运行的代码。

为什么要用 C++ 和 TMP 来实现 DSEL？

性能： TMP 在编译期执行，这意味着 DSEL 代码可以在编译时被优化，生成高效的机器码。
类型安全： C++ 的类型系统可以帮助我们在编译时发现 DSEL 代码中的错误。
表达力： C++ 的模板机制非常强大，可以用来实现各种复杂的 DSEL 结构。
代码可读性： 通过 DSEL，可以将复杂逻辑用更贴近领域的方式表达，提高代码的可读性和可维护性。

DSEL 的基本思路

DSEL 的核心思想是：

定义一种语法： 这种语法要简洁、易懂，并且能够表达领域内的概念。
实现一个解释器： 这个解释器负责将 DSEL 代码转换成宿主语言（C++）代码。
利用 TMP 在编译期执行解释器： 这样可以获得最佳的性能。

一个简单的例子：编译期计算器

让我们从一个最简单的例子开始：一个编译期计算器。这个计算器只能做加法和乘法，但它可以帮助我们理解 TMP 的基本原理。

#include <iostream>

// 定义一个模板结构体，用来表示一个整数
template <int N>
struct Int {
    static constexpr int value = N;
};

// 定义加法操作
template <typename A, typename B>
struct Add {
    static constexpr int value = A::value + B::value;
};

// 定义乘法操作
template <typename A, typename B>
struct Multiply {
    static constexpr int value = A::value * B::value;
};

int main() {
    // 计算 2 + 3
    constexpr int result1 = Add<Int<2>, Int<3>>::value;
    std::cout << "2 + 3 = " << result1 << std::endl; // 输出：2 + 3 = 5

    // 计算 (2 + 3) * 4
    constexpr int result2 = Multiply<Add<Int<2>, Int<3>>, Int<4>>::value;
    std::cout << "(2 + 3) * 4 = " << result2 << std::endl; // 输出：(2 + 3) * 4 = 20

    return 0;
}

代码解释：

Int<N>：表示一个整数 N。static constexpr int value = N; 是关键，它将整数值存储在编译期常量 value 中。
Add<A, B>：表示两个整数 A 和 B 的加法。static constexpr int value = A::value + B::value; 在编译期计算 A 和 B 的 value 的和。
Multiply<A, B>：表示两个整数 A 和 B 的乘法。
constexpr int result1 = ...;：constexpr 关键字告诉编译器，result1 的值必须在编译期计算出来。

这个例子虽然简单，但它展示了 TMP 的核心思想：

用模板结构体来表示数据和操作。
用 static constexpr 成员来存储编译期常量。
通过模板实例化来触发编译期计算。

更复杂的例子：一个简单的状态机 DSEL

现在，让我们来一个更实际的例子：一个简单的状态机 DSEL。状态机是一种常用的编程模型，用于描述对象在不同状态之间的转换。

#include <iostream>
#include <string>

// 前向声明，定义状态机的基类
template <typename InitialState>
struct StateMachine;

// 定义一个状态的基类
template <typename StateType, typename MachineType>
struct State {
    using StateTypeSelf = StateType;
    using MachineTypeSelf = MachineType;
    MachineTypeSelf* machine; // 指向状态机实例的指针

    State(MachineTypeSelf* m) : machine(m) {}

    virtual ~State() = default;

    // 定义一个默认的事件处理函数
    virtual void onEvent(const std::string& event) {
        std::cout << "State: " << typeid(*this).name() << ", Unhandled event: " << event << std::endl;
    }
};

// 定义状态机的基类
template <typename InitialState>
struct StateMachine {
    using StateType = State<InitialState, StateMachine>;
    State<InitialState, StateMachine>* currentState;

    StateMachine() : currentState(new InitialState(this)) {}

    virtual ~StateMachine() {
        delete currentState;
    }

    // 转换状态的函数
    template <typename NewState>
    void transitionTo() {
        delete currentState;
        currentState = new NewState(this);
        std::cout << "Transitioned to state: " << typeid(*currentState).name() << std::endl;
    }

    // 状态机处理事件的接口
    void handleEvent(const std::string& event) {
        currentState->onEvent(event);
    }

    // 获取当前状态
    template <typename T>
    T* getCurrentState() {
        return dynamic_cast<T*>(currentState);
    }
};

// 定义一个具体的状态：Idle
struct Idle : public State<Idle, StateMachine<Idle>> {
    using State::State;  // 继承构造函数

    void onEvent(const std::string& event) override {
        if (event == "start") {
            std::cout << "Idle: Received 'start' event." << std::endl;
            machine->transitionTo<Running>(); // 状态转换到 Running
        } else {
            State::onEvent(event); // 调用基类的默认处理函数
        }
    }
};

// 定义一个具体的状态：Running
struct Running : public State<Running, StateMachine<Idle>> {
    using State::State; // 继承构造函数

    void onEvent(const std::string& event) override {
        if (event == "stop") {
            std::cout << "Running: Received 'stop' event." << std::endl;
            machine->transitionTo<Idle>(); // 状态转换到 Idle
        } else {
            State::onEvent(event); // 调用基类的默认处理函数
        }
    }
};

int main() {
    // 创建一个状态机，初始状态为 Idle
    StateMachine<Idle> machine;

    // 处理事件
    machine.handleEvent("start"); // 状态转换为 Running
    machine.handleEvent("tick");  // Running 状态未处理的事件
    machine.handleEvent("stop");  // 状态转换为 Idle
    machine.handleEvent("reset"); // Idle 状态未处理的事件

    return 0;
}

代码解释：

State 结构体: 定义了状态的基本结构，包含一个指向状态机实例的指针 machine 和一个虚函数 onEvent 用于处理事件。
StateMachine 结构体: 定义了状态机的基本结构，包含一个指向当前状态的指针 currentState，以及 transitionTo 方法用于状态转换，handleEvent 方法用于处理事件。
Idle 和 Running 结构体: 具体的两种状态，分别继承自 State。它们重写了 onEvent 方法，定义了在各自状态下对特定事件的响应，并使用 machine->transitionTo 方法进行状态转换。

运行结果:

Transitioned to state: struct Running
Running: Received 'tick' event, Unhandled event: tick
Transitioned to state: struct Idle
Idle: Received 'reset' event, Unhandled event: reset

这个例子展示了如何用 C++ 类和虚函数来实现一个简单的状态机 DSEL。 虽然这个例子没有用到 TMP，但它是理解更复杂的 TMP DSEL 的基础。

使用 TMP 改进状态机 DSEL

上面的状态机例子在运行时进行状态转换。如果我们可以将状态转换逻辑在编译期确定下来，就可以获得更好的性能。这就是 TMP 的用武之地。

#include <iostream>
#include <string>

// 前向声明，定义状态机的基类
template <typename InitialState>
struct StateMachine;

// 定义一个状态的基类
template <typename StateType, typename MachineType>
struct State {
    using StateTypeSelf = StateType;
    using MachineTypeSelf = MachineType;
    MachineTypeSelf* machine; // 指向状态机实例的指针

    State(MachineTypeSelf* m) : machine(m) {}

    virtual ~State() = default;

    // 定义一个默认的事件处理函数
    virtual void onEvent(const std::string& event) {
        std::cout << "State: " << typeid(*this).name() << ", Unhandled event: " << event << std::endl;
    }
};

// 定义状态机的基类
template <typename InitialState>
struct StateMachine {
    using StateType = State<InitialState, StateMachine>;
    State<InitialState, StateMachine>* currentState;

    StateMachine() : currentState(new InitialState(this)) {}

    virtual ~StateMachine() {
        delete currentState;
    }

    // 转换状态的函数
    template <typename NewState>
    void transitionTo() {
        delete currentState;
        currentState = new NewState(this);
        std::cout << "Transitioned to state: " << typeid(*currentState).name() << std::endl;
    }

    // 状态机处理事件的接口
    void handleEvent(const std::string& event) {
        currentState->onEvent(event);
    }

    // 获取当前状态
    template <typename T>
    T* getCurrentState() {
        return dynamic_cast<T*>(currentState);
    }
};

// 定义一个状态：Idle
struct Idle : public State<Idle, StateMachine<Idle>> {
    using State::State;  // 继承构造函数

    void onEvent(const std::string& event) override {
        if (event == "start") {
            std::cout << "Idle: Received 'start' event." << std::endl;
            machine->transitionTo<Running>(); // 状态转换到 Running
        } else {
            State::onEvent(event); // 调用基类的默认处理函数
        }
    }
};

// 定义一个状态：Running
struct Running : public State<Running, StateMachine<Idle>> {
    using State::State; // 继承构造函数

    void onEvent(const std::string& event) override {
        if (event == "stop") {
            std::cout << "Running: Received 'stop' event." << std::endl;
            machine->transitionTo<Idle>(); // 状态转换到 Idle
        } else {
            State::onEvent(event); // 调用基类的默认处理函数
        }
    }
};

// 使用 TMP 定义状态转换规则
template <typename State, typename Event>
struct Transition {
    using NextState = State; // 默认情况下，状态不变
};

// 特化 Transition 结构体，定义状态转换规则
template <>
struct Transition<Idle, std::string("start")> {
    using NextState = Running;
};

template <>
struct Transition<Running, std::string("stop")> {
    using NextState = Idle;
};

// 改进后的状态机
template <typename InitialState>
struct TMPStateMachine {
    using CurrentState = InitialState;

    template <typename Event>
    using NextState = typename Transition<CurrentState, Event>::NextState;

    // 在编译期确定下一个状态
    template <typename Event>
    static constexpr bool canTransition() {
      return !std::is_same<CurrentState, NextState<Event>>::value;
    }

    // 处理事件
    template <typename Event>
    TMPStateMachine<NextState<Event>> handleEvent() {
        std::cout << "Current State: " << typeid(CurrentState).name() << ", Event: " << typeid(Event).name() << std::endl;
        return TMPStateMachine<NextState<Event>>{};
    }
};

int main() {
    // 创建一个状态机，初始状态为 Idle
    TMPStateMachine<Idle> machine;

    // 处理事件
    auto machine2 = machine.handleEvent<std::string("start")>(); // 状态转换为 Running
    auto machine3 = machine2.handleEvent<std::string("tick")>();  // Running 状态未处理的事件，状态保持 Running
    auto machine4 = machine3.handleEvent<std::string("stop")>();  // 状态转换为 Idle
    auto machine5 = machine4.handleEvent<std::string("reset")>(); // Idle 状态未处理的事件，状态保持 Idle

    return 0;
}

代码解释：

Transition 结构体： 定义了状态转换规则。Transition<State, Event>::NextState 表示在状态 State 接收到事件 Event 后，应该转换到的下一个状态。
特化 Transition 结构体： 通过特化 Transition 结构体，我们可以定义具体的状态转换规则。例如，Transition<Idle, std::string("start")>::NextState 被定义为 Running，表示在 Idle 状态接收到 "start" 事件后，应该转换到 Running 状态。
TMPStateMachine 结构体： 使用 TMP 来实现状态转换逻辑。TMPStateMachine<State>::NextState<Event> 在编译期确定下一个状态。

这个例子展示了如何用 TMP 来实现一个编译期状态机 DSEL。 虽然这个例子还比较简单，但它展示了 TMP 的强大之处。

更高级的 DSEL 技术

除了上面介绍的基本技术，还有一些更高级的 DSEL 技术，例如：

表达式模板： 用于优化数值计算。表达式模板可以避免不必要的临时对象，提高计算效率。
领域特定类型： 可以定义一些专门用于特定领域的类型，例如 Angle、Velocity 等。
操作符重载： 可以重载 C++ 的操作符，使 DSEL 代码更简洁易懂。

总结

C++ 的模板元编程是一种强大的技术，可以用来打造各种各样的领域特定嵌入式语言。虽然 TMP 的学习曲线比较陡峭，但掌握了 TMP，你就可以编写出更高效、更易维护的代码。

一些建议：

从小处着手： 先从简单的 DSEL 开始，例如编译期计算器。
多看代码： 阅读一些优秀的 TMP 库的源代码，例如 Boost.MPL。
多实践： 尝试用 TMP 来解决实际问题。

最后，记住：TMP 是一种工具，而不是目的。不要为了 TMP 而 TMP。只有在 TMP 能够真正提高代码的效率和可读性时，才应该使用它。

感谢大家的聆听！希望今天的讲座对大家有所帮助。现在，大家可以尽情地发挥你们的想象力，用 C++ 和 TMP 来创造属于你们自己的 DSEL 吧！

附录：常见 TMP 技巧

技巧	描述	示例
`static constexpr`	定义编译期常量。	`template <int N> struct Int { static constexpr int value = N; };`
模板特化	根据不同的模板参数，提供不同的实现。	`c++ template <typename T> struct TypeName { static constexpr const char* name = "Unknown"; }; template <> struct TypeName<int> { static constexpr const char* name = "int"; };`
`std::enable_if`	根据条件选择性地启用或禁用模板。	`c++ template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value>::type> struct OnlyForIntegers { // ... };`
`std::conditional`	根据条件选择不同的类型。	`using ResultType = std::conditional_t<condition, Type1, Type2>;`
`std::is_same`	判断两个类型是否相同。	`static constexpr bool areSame = std::is_same<Type1, Type2>::value;`
递归模板	使用模板递归来实现循环。	`c++ template <int N> struct Factorial { static constexpr int value = N * Factorial<N - 1>::value; }; template <> struct Factorial<0> { static constexpr int value = 1; };`
SFINAE	Substitution Failure Is Not An Error，利用模板参数替换失败不是错误的特性来选择重载函数。	`c++ template <typename T> auto check(T* ptr) -> decltype(ptr->method(), std::true_type{}); template <typename T> std::false_type check(...); constexpr bool has_method = decltype(check<MyType>(nullptr))::value;`

希望这些技巧能够帮助你更好地理解和使用 TMP。记住，实践是最好的老师！

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