提高C++效率：模板元編程實戰

一、模板元編程的概念

模板元編程（Template Metaprogramming，簡稱TMP）是一種利用C++模板來在編譯期執行計算並生成代碼的技術。在使用TMP時，編譯器可以根據一些常量表達式計算結果，並將其作為模板參數。這個技術可以提高程序效率，減少運行時開銷，同時也可以增強代碼的靈活性。

在TMP中，我們可以使用模板特化、模板遞歸、模板偏特化等技術來實現各種演算法和數據結構。但請注意，在使用TMP前我們需要了解好C++模板的知識，否則程序很可能會產生各種意想不到的錯誤。

二、元編程實例：斐波那契數列

template<int n>
struct Fibonacci {
    static const int value = Fibonacci<n - 1>::value + Fibonacci<n - 2>::value;
};
template<>
struct Fibonacci<0> {
    static const int value = 0;
};
template<>
struct Fibonacci<1> {
    static const int value = 1;
};

這裡我們實現了一個求解斐波那契數列的模板類。我們使用了模板特化的技術，對於n=0和n=1的情況，我們直接給出了結果。對於n>1的情況，我們使用遞歸的方式進行計算。最終，在編譯期，程序會根據我們輸入的n值計算斐波那契數列。

三、元編程實例：類型計算器

template<typename T, typename U>
struct IsSameType {
    static const bool value = false;
};
template<typename T>
struct IsSameType<T, T> {
    static const bool value = true;
};
template<typename T>
struct RemoveConst {
    typedef T type;
};
template<typename T>
struct RemoveConst<const T> {
    typedef T type;
};
template<typename T>
struct RemoveConst<const T*> {
    typedef T* type;
};

這裡我們實現了一個類型計算器。在C++中，我們可以使用type_traits庫來實現一些類型判斷和轉換，但type_traits庫在一些場景下存在一些限制，使用模板元編程可以幫助我們繞過這些限制。我們可以使用模板特化來實現各種類型操作。

比如在上面的代碼中，我們實現了一個判斷兩個類型是否相同的模板類IsSameType，並使用了模板特化來實現不同情況下的返回值。我們還實現了一個移除類型const屬性的模板類RemoveConst，同樣使用了模板特化來適應不同情況下的返回值。

四、元編程實例：編譯時判斷一個數是否為質數

template<unsigned int N, unsigned int I>
struct is_prime {
    static const bool value = (N % I != 0) && is_prime<N, I - 1>::value;
};
template<unsigned int N>
struct is_prime<N, 2> {
    static const bool value = (N % 2 != 0);
};
template<unsigned int N>
struct is_prime<N, 1> {
    static const bool value = true;
};

在這個例子中，我們實現了一種在編譯期間求一個數是否為質數的方法。我們使用了模板遞歸的思想。對於一個大於2的正整數N，我們從N-1到2進行逐一測試，如果N能夠整除其中任意一個數，則N不是質數。否則，N是質數。

五、元編程實例：編譯期最大公約數

template<int a, int b>
struct GCD {
    static const int value = GCD<b, a % b>::value;
};
template<int a>
struct GCD<a, 0> {
    static const int value = a;
};

在這個例子中，我們使用了模板遞歸和模板特化來求兩個數之間的最大公約數。從較大的數到較小的數進行遞歸，直到其中一個數變為0，此時另一個數即為最大公約數。