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人们往往会将一个大问题拆解成许多小问题，通过解决一个个小问题，最终就能解决整个大问题。
若是拆解过后，这些小问题的处理逻辑不变，变化的只是输入状态，那么此时就是一种代码复用。对应编程世界，一种是自上而下的拆解组合方式，称为递归；一种是自下而上的拆解组合方式，称为迭代。
拆解后还能组合，拆解才有意义，递归和迭代本身就带有一种约束，必须具备起始状态和终止状态。若是没有起始状态，递归就没有起点，循环就没有开始；若是没有终止状态，递归就没有终点，循环就没有结束，
本文所说的元编程拆解技术，就是编译期的问题拆解与组合技术，编译期不像运行期那样能够动态地改变输入与输出状态，C++ 诞生了许多技术来解决这个问题，这便是后文要介绍的。
本文以一个需求为例，来讲解这些技术：
要求编写一个 unroll
起始状态就是 N，终止状态就是 N 为零，拆解后处理逻辑不变的小问题就是 callback。
先不看文，你首先想到的是什么解法？文读毕，对比一下文中的各种拆解技术思路，获益更多。
原始递归法
模板元编程最开始就只支持递归这一种拆解方式，每次输入一个状态，依次产生下一个状态，若状态与递归终止状态相同，则结束。
采用这种方式，实现需求如下：
1namespace cpp98 {
2
3 // declaration
4 template void unroll(F);
5
6 template
7 struct unroll_helper {
8 void operator()(F f) {
9 f();
10 unroll(f);
11 }
12 };
13
14 // terminated state
15 template
16 struct unroll_helper<0, F> {
17 void operator()(F) {}
18 };
19
20 // definition
21 template
22 void unroll(F f) {
23 unroll_helper()(f);
24 }
25
26 void print_cpp98() {
27 std::puts("hello cpp98");
28 }
29}
30
31int main() {
32 cpp98::unroll<2>(cpp98::print_cpp98);
33 // output:
34 // hello cpp98
35 // hello cpp98
36}
由于函数模板不支持偏特化，于是需要借助一个 unroll_helper 类模板，来实现递归终止条件，再在 unroll 函数中调用该帮助类，不断拆解问题。
递归输入条件 N 为起始状态，每次拆解执行完成之后，通过 N - 1 得到下一个状态，从而不断解决问题。
这个时期，C++ 的元编程拆解技术还很弱，一个简单的需求，实现起来也颇为繁琐。
可变参数模板
时间来到 C++11，模板元编程迎来强大扩展，非常有用的一个新特性就是可变参数模板，它能够让我们摆脱递归这种原始拆解方式。
但是 C++11 还只是开始，基础组件不完善，所以并不能非常有效地实现目标。
什么意思呢？看如下这个不太完善的实现：
1namespace cpp11 {
2
3 template
4 class index_sequence {};
5
6 template
7 void unroll(F f, index_sequence) {
8 using expand = std::size_t[];
9 expand{ (f(), Is)... };
10 }
11
12}
13
14
15int main() {
16 cpp11::unroll([] { std::puts("hello cpp11"); },
17 cpp11::index_sequence<2, 1>());
18}
原始递归法是采用不断递归来动态地产生状态，而有了可变参数模板，状态可以直接在编译期初期产生，从而直接拿来用就可以。
这里定义了一个 index_sequence 用来接收所有状态，然后借助一些逗号表达式技巧展开参数包，在参数包展开的过程当中，执行处理逻辑。
C++11 起也支持 Lambda，因此也不用再提供一个额外的调用函数。
这个实现的唯一缺点就是由于缺乏相应的组件，需要手动产生状态，导致使用起来较为麻烦。
完善版可变参数模板
C++14 增加了 std::index_sequence 和 std::make_index_sequence，于是就能将手动产生状态变成动态产生，完善实现。
代码如下：
1namespace cpp14 {
2
3 template
4 void helper(F f, std::index_sequence) {
5 using expand = std::size_t[];
6 expand{ (f(), Is)... };
7 }
8
9 // variable template
10 template
11 auto unroll = [](auto f) { // generic lambda
12 helper(f, std::make_index_sequence{});
13 };
14}
15
16int main() {
17 cpp14::unroll<3>([] { std::puts("hello cpp14"); });
18}
同时，C++14 还支持 variable template 和 generic lambda，这进一步简化了实现。
Fold Expression
前面的方式是采用逗号表达式技巧来展开参数包，C++17 支持 Fold expression，可以直接展开，因此代码得到进一步简化。
变成：
1namespace cpp17 {
2
3 template
4 void helper(F f, std::index_sequence) {
5 ((f(), Is), ...); // fold expression
6 }
7
8 template
9 auto unroll = [](auto f) { // generic lambda
10 helper(f, std::make_index_sequence{});
11 };
12}
constexpr if
C++17 的另一种拆解技术是借助 constexpr if，它的好处在于能够直接在本函数内判断终止状态，这样就不再需要去定义一个递归终止函数。
1namespace cpp17 {
2 // variable template + constexpr if
3 template
4 auto unroll = [](auto expr) {
5 if constexpr (N) {
6 expr();
7 unroll(expr);
8 }
9 };
10}
11
12int main() {
13 cpp17::unroll<3>([] { std::puts("hello cpp17"); });
14}
与原始递归法相比，这种方式除了消除递归终止函数，还免于编写一个额外的 helper 类，generic lambda 更是减少了模板参数。
这是目前为止，最简洁的实现。
C++20 双层 Lambda 法
有没有非递归的简洁拆解方式呢？当然也有。
看如下实现：
1namespace cpp20 {
2
3 template constexpr auto unroll = [](auto f) {
4 [f](std::index_sequence) {
5 ((f(), void(Is)), ...);
6 }(std::make_index_sequence());
7 };
8}
9
10int main() {
11 cpp20::unroll<3>([] { std::puts("hello cpp20"); });
12}
这里的关键是 C++20 的 template lambda，它支持为 lambda 编写模板参数，基于此才能够编写索引的模板参数。
Lambda 函数里面再套一个 Lambda 函数，外层用于提供调用接口，内层用于管理状态和处理调用。如果没有 template lambda，内层 Lambda 的 std::index_sequence 参数就无法写，也就接收不了状态。、
Structured Binding Packs
原本有些新特性是应该在 C++23 就进入标准的，但由于种种原因，我们只有期望 C++26 能用上了。Structured binding packs 就是这么一个特性。
前面除了递归以外的所有拆解方法，都得借助 std::index_sequence，这就是代码依旧复杂的原因所在。
有没有一种方式可以直接让我们访问参数包，而不必再定义一个参数为 std::index_sequence 的函数才能拿到那些参数包？Structured binding packs 就提供了这一能力。
这是 P1061 所提出的一种方式，让我们能够通过 Structured bindings 直接得到参数包。
于是实现变为：
1namespace p1061 {
2
3 template constexpr auto unroll = [](auto f) {
4 auto [... Is] = std::make_index_sequence();
5 ((f(), void(Is)), ...);
6 };
7
8}
9
10int main() {
11 p1061::unroll<3>([] { std::puts("hello p1061"); });
12}
这种拆解技术才是最直观的方式，两行代码解决一切。
Expansion Statements
另外一种方式就是我们在反射中经常使用到的一个特性：template for。
这种方式比 Structured Binding Packs 更强大，是静态反射里面的一个扩展特性，能够支持编译期迭代。
对于本次需求的实现为：
1namespace p1306 {
2 template constexpr auto unroll = [](auto f) {
3 constexpr std::array dummy{};
4 template for (auto& e : dummy)
5 f();
6 };
7}
8
9int main() {
10 p1306::unroll<3>([] { std::puts("hello p1306"); });
11}
这里借助了 std::array，构建了一个并不会实际使用的变量，目的是为了当作遍历次数。
总结
本文从 C++98 开始介绍了许多拆解技术，在不断的优化过程中，也能够看到 C++ 的发展历程。
由最原始的复杂、难用，到最后的两行代码搞定，也能够看到 C++ 元编程的发展。
利用好这些技术，对大家的元编程能力会有显著提高。
审核编辑：汤梓红
工商网监
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