C++模板元編程—-選擇排序
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前言
模板在C++一直是比較神秘的存在。STL和Boost中都有大量運用模板，但是對於普通的程式設計師來說，模板僅限於使用。在一般的編程中，很少會有需要自己定義模板的情況。但是作為一個有理想的程式設計師，模板是一個繞不過去的坎。由於C++標準的不斷改進，模板的能力越來越強，使用範圍也越來越廣。
在C++11中，模板增加了constexpr，可變模板參數，回返類型後置的函數聲明擴展了模板的能力；增加了外部模板加快了模板的編譯速度；模板參數的預設值，角括弧和模板別名使模板的定義和使用變得更加的簡潔。
C++14中，放寬了constexpr的限制，增加了變數模板。
C++17中，簡化模板的構造函數，使模板更加易用；Folding使得模板在定義中更加方便。
C++20是一個大版本更新，對於模板來說，也有很大的進步。對於個人來說，最喜歡的應該就是concept了，它讓模板可以判斷模板參數是不是符合要求，同時也對模板的特化提供了更進一部的支援（以後再也不用看著模板成噸的報錯流淚了。）；同時它還要求大部分的STL庫都支援constexpr，使得很多類可以在編譯期直接使用（以後模板元編程就不是單純的函數式語言了吧，感覺以後C++的編程會變得非常奇怪）。
而隨著模板一步步的完善，大佬們發現模板的功能居然已經實現了圖靈完備，於是各種騷操作層出不窮，比如俄羅斯方塊Super Template Tetris。
作為一個小老弟，當然是還沒有能力寫出一個可以媲美俄羅斯方塊的程式，不過寫一些簡單的排序還是可以的。
這裡我分享的是一個選擇排序演算法。為什麼選擇選擇排序呢？因為它排序的時候，他對於元素的位置改變是比較少的。個人感覺函數元編程最複雜的就是對元素進行修改位置了吧。
程式碼詳解
數據的結構
template<int ...data>
struct mvector;
template<int first, int ...data>
struct mvector<first, data...> {
static constexpr int size = sizeof...(data) + 1;
static constexpr int value = first;
typedef mvector<data...> next_type;
constexpr static std::array<int, sizeof...(data) + 1> array = {first, data...};
};
template<int first>
struct mvector<first> {
static constexpr int size = 1;
static constexpr int value = first;
typedef mvector<> next_type;
constexpr static int array[] = {first};
};
template<>
struct mvector<> {
static constexpr int size = 0;
static constexpr int value = -1;
typedef mvector<> next_type;
constexpr static int array[] = {};
};
這裡我們定義了一個mvcetor模板，他的作用就是用來保存數據的。模板的原型是
template<int ...data>
struct mvector;
他可以輸入任意數量的整數（模板參數可以看作是輸入）。
根據後面的特化，模板一共有四個屬性或類型（這些可以看作是模板的輸出），分別是size，value（第一個元素的值，方便後面的迭代），next_type（除去頭的尾部，方便迭代），array（mvector的數組表現形式）。
數據的操作
分割向量
// 分割向量
template<int index, typename T, typename S>
struct SplitVector;
template<int index, int ...LeftData, int ...RightData>
struct SplitVector<index, mvector<LeftData...>, mvector<RightData...>> {
typedef SplitVector<index - 1, mvector<LeftData..., mvector<RightData...>::value>, typename mvector<RightData...>::next_type> next_split;
typedef typename next_split::LeftVector LeftVector;
typedef typename next_split::RightVector RightVector;
};
template<int ...LeftData, int ...RightData>
struct SplitVector<0, mvector<LeftData...>, mvector<RightData...>> {
typedef mvector<LeftData...> LeftVector;
typedef typename mvector<RightData...>::next_type RightVector;
};
這個模板的主要目的是將向量從某一部分分離出來（取最大值）。
模板的輸入有三個：index（要分離的元素的位置在RightData的位置），LeftData（分離的左邊），RightData（分離的右邊）。
輸出有LeftVector（出來的左邊），RightVector（出來的右邊）。
合併向量
// 合併向量
template<typename T, typename S>
struct MergeVector;
template<int ...dataa, int ...datab>
struct MergeVector<mvector<dataa...>, mvector<datab...>> {
typedef mvector<dataa..., datab...> result_type;
};
將兩個向量合併，主要是用在分割後的向量。
尋找最大值
template<int now_index, typename U, typename V>
struct FindMax;
template<int now_index, int ...Looped, int ...unLooped>
struct FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<unLooped...>> {
typedef FindMax<now_index + 1, mvector<Looped..., mvector<unLooped...>::value>, typename mvector<unLooped...>::next_type> next_max;
constexpr static int max = mvector<unLooped...>::value > next_max::max ? mvector<unLooped...>::value : next_max::max;
constexpr static int max_index = mvector<unLooped...>::value > next_max::max ? now_index : next_max::max_index;
};
template<int now_index, int ...Looped>
struct FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<>> {
typedef FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<>> next_max;
constexpr static int max = -1;
constexpr static int max_index = now_index;
};
尋找向量中的最大值。輸入有now_index，Looped（已經比較的部分），unLooped（未比較的部分）。其中now_index是多餘的，可以使用sizeof...(Looped)來代替。
輸出是max（最大值），max_index（最大值的位置，方便後面的分割）
排序
對數據操作完成了，這個程式也就完成了一大半了，排序也是非常的簡單，從未排序的列表中，選擇最大的值，放到已經排序好的列表的前面就好了。
// 排序
template<typename T, typename S>
struct SelectSortWork;
template<int ...unSorted, int ...Sorted>
struct SelectSortWork<mvector<unSorted...>, mvector<Sorted...>> {
typedef FindMax<0, mvector<>, mvector<unSorted...>> max_find_type;
constexpr static int max = max_find_type::max;
constexpr static int max_index = max_find_type::max_index;
typedef SplitVector<max_index, mvector<>, mvector<unSorted...>> split_type;
typedef SelectSortWork<typename MergeVector<typename split_type::LeftVector, typename split_type::RightVector>::result_type, mvector<max, Sorted...>> next_select_sort_work_type;
typedef typename next_select_sort_work_type::sorted_type sorted_type;
};
template<int ...Sorted>
struct SelectSortWork<mvector<>, mvector<Sorted...>> {
typedef mvector<Sorted...> sorted_type;
};
總結
程式碼我放在了github的gist上，select_sort.cpp 。
總的來說，程式碼還是非常的簡單的，只要合理的進行分解，大部分的演算法應該都是可以實現的。
在編程的過程中，我也有一些自己的領悟，對於模板元編程的幾點小Tips，在這裡給大家介紹一下吧。
- 如果熟悉函數式編程的話，再來學習模板元編程，對於其中的理解會更加的深刻，所以最好在開始準備學習之前，先學習一下函數式編程會比較好（雖然這個過程會非常的痛苦）。
- 類模板可以看作是一個函數，有輸入輸出。輸入是模板的參數，輸出是模板裡面的類型或者變數，這些輸出也可以作為函數計算的中間變數，方便編碼。
- 模板元編程，一定要有耐心，特別是debug，會特別的難受
部落格原文：//www.cnblogs.com/ink19/p/cpp_template_select_sort.html
