C++ Typelist 元编程高级：构建、转换和操作编译期类型列表

哈喽，各位好！今天我们要聊点硬核的——C++ Typelist 元编程。如果你觉得模板编程已经够复杂了，那么 Typelist 绝对能让你眼前一亮（或者眼前一黑，取决于你的心态）。别担心，我会尽量用人话把这个看似高深的技术讲明白。

什么是 Typelist？

首先，我们要搞清楚 Typelist 是个什么玩意儿。简单来说，Typelist 就是一个编译期的类型列表。注意，是编译期！这意味着 Typelist 的内容在程序运行前就已经确定了，不能在运行时动态改变。

你可以把 Typelist 想象成一个静态数组，但这个数组的元素不是数字、字符串，而是类型。比如 int、double、std::string 等等。

为什么要用 Typelist？

你可能会问，既然 Typelist 这么麻烦，只能在编译期使用，那它有什么用呢？答案是：Typelist 允许我们在编译期进行类型推导、类型转换、类型检查等操作，从而实现一些非常酷炫的功能，例如：

• 静态反射 (Static Reflection): 在编译期获取类型的信息，比如成员变量、成员函数等。
• 策略模式 (Policy-Based Design): 在编译期选择不同的策略，从而生成不同的代码。
• 代码生成 (Code Generation): 根据 Typelist 的内容，自动生成一些代码。

Typelist 的基本结构

在 C++ 中，Typelist 通常使用模板递归来实现。最常见的结构是这样的：

template <typename Head, typename Tail>
struct Typelist {
  using HeadType = Head;
  using TailType = Tail;
};

struct NullType {}; // 作为 Typelist 的结束标志

• Typelist<Head, Tail>：表示一个 Typelist，Head 是列表的第一个类型，Tail 是列表的剩余部分，也是一个 Typelist。
• NullType：表示一个空的 Typelist，作为递归的结束标志。

举个例子

假设我们要创建一个包含 int、double、std::string 三种类型的 Typelist，可以这样写：

using MyList = Typelist<int, Typelist<double, Typelist<std::string, NullType>>>;

看起来有点吓人，但其实很简单。MyList 的结构是这样的：

MyList: Typelist<int, Tail>
    Tail: Typelist<double, Tail>
        Tail: Typelist<std::string, NullType>

Typelist 的基本操作

有了 Typelist 的基本结构，接下来我们就可以进行一些基本的操作了，比如：获取 Typelist 的长度、获取指定位置的类型、判断类型是否在 Typelist 中等等。

1. 获取 Typelist 的长度

我们可以使用模板递归来计算 Typelist 的长度：

template <typename T>
struct Length;

template <>
struct Length<NullType> {
  static constexpr size_t value = 0;
};

template <typename Head, typename Tail>
struct Length<Typelist<Head, Tail>> {
  static constexpr size_t value = 1 + Length<Tail>::value;
};

• Length<NullType>::value：当 Typelist 为空时，长度为 0。
• Length<Typelist<Head, Tail>>::value：当 Typelist 不为空时，长度为 1 + 剩余部分的长度。

使用方法：

static_assert(Length<MyList>::value == 3, "Length is incorrect!");

2. 获取指定位置的类型

同样可以使用模板递归来获取指定位置的类型：

template <typename T, size_t Index>
struct TypeAt;

template <typename Head, typename Tail>
struct TypeAt<Typelist<Head, Tail>, 0> {
  using Type = Head;
};

template <typename Head, typename Tail, size_t Index>
struct TypeAt<Typelist<Head, Tail>, Index> {
  using Type = typename TypeAt<Tail, Index - 1>::Type;
};

• TypeAt<Typelist<Head, Tail>, 0>::Type：当 Index 为 0 时，返回 Typelist 的第一个类型。
• TypeAt<Typelist<Head, Tail>, Index>::Type：当 Index 不为 0 时，递归到 Typelist 的剩余部分，Index 减 1。

使用方法：

using SecondType = TypeAt<MyList, 1>::Type; // SecondType is double
static_assert(std::is_same_v<SecondType, double>, "Type is incorrect!");

3. 判断类型是否在 Typelist 中

template <typename T, typename List>
struct Contains;

template <typename T>
struct Contains<T, NullType> {
  static constexpr bool value = false;
};

template <typename T, typename Head, typename Tail>
struct Contains<T, Typelist<Head, Tail>> {
  static constexpr bool value = std::is_same_v<T, Head> || Contains<T, Tail>::value;
};

• Contains<T, NullType>::value：当 Typelist 为空时，类型 T 不在 Typelist 中。
• Contains<T, Typelist<Head, Tail>>::value：当 Typelist 不为空时，如果 T 是 Typelist 的第一个类型，或者 T 在 Typelist 的剩余部分中，则 T 在 Typelist 中。

使用方法：

static_assert(Contains<int, MyList>::value == true, "Contains is incorrect!");
static_assert(Contains<char, MyList>::value == false, "Contains is incorrect!");

Typelist 的转换操作

除了基本操作，Typelist 还可以进行一些转换操作，比如：

• Append (追加): 将一个类型追加到 Typelist 的末尾。
• Prepend (前置): 将一个类型添加到 Typelist 的开头。
• Erase (擦除): 从 Typelist 中移除指定的类型。
• Unique (去重): 移除 Typelist 中重复的类型。
• Transform (转换): 对 Typelist 中的每个类型进行转换。

1. Append (追加)

template <typename List, typename T>
struct Append;

template <typename T>
struct Append<NullType, T> {
  using Type = Typelist<T, NullType>;
};

template <typename Head, typename Tail, typename T>
struct Append<Typelist<Head, Tail>, T> {
  using Type = Typelist<Head, typename Append<Tail, T>::Type>;
};

• Append<NullType, T>::Type：如果 Typelist 为空，则创建一个包含 T 的 Typelist。
• Append<Typelist<Head, Tail>, T>::Type：如果 Typelist 不为空，则将 T 追加到 Typelist 的剩余部分。

使用方法：

using AppendedList = typename Append<MyList, char>::Type;
// AppendedList: Typelist<int, Typelist<double, Typelist<std::string, Typelist<char, NullType>>>>
static_assert(Length<AppendedList>::value == 4, "Length is incorrect!");

2. Prepend (前置)

template <typename List, typename T>
struct Prepend;

template <typename List, typename T>
struct Prepend {
  using Type = Typelist<T, List>;
};

这个比较简单，直接将 T 作为新的 Head，原来的 List 作为 Tail。

使用方法：

using PrependedList = typename Prepend<MyList, char>::Type;
// PrependedList: Typelist<char, Typelist<int, Typelist<double, Typelist<std::string, NullType>>>>
static_assert(Length<PrependedList>::value == 4, "Length is incorrect!");

3. Erase (擦除)

template <typename List, typename T>
struct Erase;

template <typename T>
struct Erase<NullType, T> {
  using Type = NullType;
};

template <typename T, typename Head, typename Tail>
struct Erase<Typelist<Head, Tail>, T> {
  using Type = std::conditional_t<std::is_same_v<T, Head>,
                                   typename Erase<Tail, T>::Type,
                                   Typelist<Head, typename Erase<Tail, T>::Type>>;
};

• Erase<NullType, T>::Type：如果 Typelist 为空，则返回空 Typelist。
• Erase<Typelist<Head, Tail>, T>::Type：如果 Typelist 不为空，如果 Head 等于 T，则递归擦除 Tail 中的 T；否则，保留 Head，并递归擦除 Tail 中的 T。

使用方法：

using ErasedList = typename Erase<MyList, double>::Type;
// ErasedList: Typelist<int, Typelist<std::string, NullType>>
static_assert(Length<ErasedList>::value == 2, "Length is incorrect!");
static_assert(!Contains<double, ErasedList>::value, "Contains is incorrect!");

4. Unique (去重)

template <typename List>
struct Unique;

template <>
struct Unique<NullType> {
  using Type = NullType;
};

template <typename Head, typename Tail>
struct Unique<Typelist<Head, Tail>> {
 private:
  using UniqueTail = typename Unique<Tail>::Type;
 public:
  using Type = std::conditional_t<Contains<Head, Tail>::value,
                                   UniqueTail,
                                   Typelist<Head, UniqueTail>>;
};

• Unique<NullType>::Type：如果 Typelist 为空，则返回空 Typelist。
• Unique<Typelist<Head, Tail>>::Type：如果 Typelist 不为空，如果 Head 存在于 Tail 中，则递归去重 Tail；否则，保留 Head，并递归去重 Tail。

使用方法：

using DuplicateList = Typelist<int, Typelist<double, Typelist<int, NullType>>>;
using UniqueList = typename Unique<DuplicateList>::Type;
// UniqueList: Typelist<int, Typelist<double, NullType>>
static_assert(Length<UniqueList>::value == 2, "Length is incorrect!");

5. Transform (转换)

这个操作比较强大，可以对 Typelist 中的每个类型进行转换。我们需要一个转换函数对象（或者 Lambda 表达式）作为参数。

template <typename List, template <typename> typename Transform>
struct TransformList;

template <template <typename> typename Transform>
struct TransformList<NullType, Transform> {
  using Type = NullType;
};

template <typename Head, typename Tail, template <typename> typename Transform>
struct TransformList<Typelist<Head, Tail>, Transform> {
  using Type = Typelist<Transform<Head>, typename TransformList<Tail, Transform>::Type>;
};

• TransformList<NullType, Transform>::Type：如果 Typelist 为空，则返回空 Typelist。
• TransformList<Typelist<Head, Tail>, Transform>::Type：如果 Typelist 不为空，则将 Head 转换为 Transform<Head>，并递归转换 Tail。

一个 Transform 函数对象的例子

假设我们要将 Typelist 中的所有类型转换为 std::add_pointer_t，也就是添加指针：

template <typename T>
struct AddPointer {
  using Type = std::add_pointer_t<T>;
};

使用方法：

using TransformedList = typename TransformList<MyList, AddPointer>::Type;
// TransformedList: Typelist<int*, Typelist<double*, Typelist<std::string*, NullType>>>
static_assert(std::is_same_v<TypeAt<TransformedList, 0>::Type, int*>, "Type is incorrect!");

Typelist 的高级应用

上面我们介绍了一些 Typelist 的基本操作，现在让我们来看一些 Typelist 的高级应用。

1. 静态反射 (Static Reflection)

我们可以使用 Typelist 来实现简单的静态反射。例如，我们可以创建一个包含某个类的所有成员变量类型的 Typelist。

struct MyClass {
  int a;
  double b;
  std::string c;
};

template <typename T>
struct MemberTypes;

template <>
struct MemberTypes<MyClass> {
  using Type = Typelist<int, Typelist<double, Typelist<std::string, NullType>>>;
};

然后，我们可以使用 MemberTypes<MyClass>::Type 来获取 MyClass 的所有成员变量类型。虽然这只是一个简单的例子，但它展示了 Typelist 在静态反射方面的潜力。

2. 策略模式 (Policy-Based Design)

我们可以使用 Typelist 来实现编译期的策略模式。例如，我们可以创建一个包含所有可用策略类型的 Typelist，然后根据 Typelist 的内容，选择不同的策略。

template <typename T>
struct Policy1 {
  void execute(T value) {
    std::cout << "Policy1: " << value << std::endl;
  }
};

template <typename T>
struct Policy2 {
  void execute(T value) {
    std::cout << "Policy2: " << value * 2 << std::endl;
  }
};

using PolicyList = Typelist<Policy1<int>, Typelist<Policy2<int>, NullType>>;

template <typename List, size_t Index, typename T>
void execute_policy(T value) {
  using PolicyType = TypeAt<List, Index>::Type;
  PolicyType policy;
  policy.execute(value);
}

我们可以使用 execute_policy<PolicyList, 0>(10) 来执行 PolicyList 中的第一个策略，也就是 Policy1<int>。

3. 代码生成 (Code Generation)

我们可以使用 Typelist 来自动生成一些代码。例如，我们可以根据 Typelist 的内容，自动生成类的构造函数、访问函数等。

这个例子比较复杂，需要使用一些模板元编程的技巧。这里就不给出完整的代码了，只提供一个思路。

总结

Typelist 元编程是一个非常强大的技术，可以让我们在编译期进行类型操作，从而实现一些非常酷炫的功能。但是，Typelist 元编程也比较复杂，需要掌握一些模板元编程的技巧。

希望今天的讲座能让你对 Typelist 元编程有一个初步的了解。如果你想深入学习 Typelist 元编程，建议阅读一些相关的书籍和文章，并多做一些练习。

记住，模板元编程的精髓在于：用模板来模拟函数，用模板特化来模拟条件分支，用递归来模拟循环。

祝你学习愉快！