C++模板元编程实现选择排序
前言
模板在C++一直是比较神秘的存在。 STL 和 Boost 中都有大量运用模板，但是对于普通的程序员来说，模板仅限于使用。在一般的编程中，很少会有需要自己定义模板的情况。但是作为一个有理想的程序员，模板是一个绕不过去的坎。由于C++标准的不断改进，模板的能力越来越强，使用范围也越来越广。
在C++11中，模板增加了 constexpr ，可变模板参数，回返类型后置的函数声明扩展了模板的能力；增加了外部模板加快了模板的编译速度；模板参数的缺省值，角括号和模板别名使模板的定义和使用变得更加的简洁。
C++14中，放宽了 constexpr 的限制，增加了变量模板。
C++17中，简化模板的构造函数，使模板更加易用；Folding使得模板在定义中更加方便。
C++20是一个大版本更新，对于模板来说，也有很大的进步。对于个人来说，最喜欢的应该就是 concept 了，它让模板可以判断模板参数是不是符合要求，同时也对模板的特化提供了更进一部的支持（以后再也不用看着模板成吨的报错流泪了。）；同时它还要求大部分的STL库都支持 constexpr ，使得很多类可以在编译期直接使用（以后模板元编程就不是单纯的函数式语言了吧，感觉以后C++的编程会变得非常奇怪）。
而随着模板一步步的完善，大佬们发现模板的功能居然已经实现了图灵完备，于是各种骚操作层出不穷，比如俄罗斯方块Super Template Tetris 。
作为一个小老弟，当然是还没有能力写出一个可以媲美俄罗斯方块的程序，不过写一些简单的排序还是可以的。
这里我分享的是一个选择排序算法。为什么选择选择排序呢？因为它排序的时候，他对于元素的位置改变是比较少的。个人感觉函数元编程最复杂的就是对元素进行修改位置了吧。
代码详解
数据的结构
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[] = {};
};
这里我们定义了一个 mvcetor 模板，他的作用就是用来保存数据的。模板的原型是
template<int ...data> struct mvector;
他可以输入任意数量的整数（模板参数可以看作是输入）。
根据后面的特化，模板一共有四个属性或类型（这些可以看作是模板的输出），分别是 size ， value （第一个元素的值，方便后面的迭代）， next_type （除去头的尾部，方便迭代）， array （ mvector 的数组表现形式）。
数据的操作
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;
};
这个模板的主要目的是将向量从某一部分分离出来（取最大值）。
模板的输入有三个： index （要分离的元素的位置在 RightData 的位置）， LeftData （分离的左边）， RightData （分离的右边）。
输出有 LeftVector （出来的左边）， RightVector （出来的右边）。
合并向量
// 合并向量
template<typename T, typename S>
struct MergeVector;
template<int ...dataa, int ...datab>
struct MergeVector<mvector<dataa...>, mvector<datab...>> {
typedef mvector<dataa..., datab...> result_type;
};
将两个向量合并，主要是用在分割后的向量。
寻找最大值
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;
};
寻找向量中的最大值。输入有 now_index ， Looped （已经比较的部分）， unLooped （未比较的部分）。其中 now_index 是多余的，可以使用 sizeof...(Looped) 来代替。
输出是 max （最大值）， max_index （最大值的位置，方便后面的分割）
排序
对数据操作完成了，这个程序也就完成了一大半了，排序也是非常的简单，从未排序的列表中，选择最大的值，放到已经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;
};
总结
代码我放在了github的gist上， select_sort.cpp 。
总的来说，代码还是非常的简单的，只要合理的进行分解，大部分的算法应该都是可以实现的。
在编程的过程中，我也有一些自己的领悟，对于模板元编程的几点小Tips，在这里给大家介绍一下吧。
- 如果熟悉函数式编程的话，再来学习模板元编程，对于其中的理解会更加的深刻，所以最好在开始准备学习之前，先学习一下函数式编程会比较好（虽然这个过程会非常的痛苦）。
- 类模板可以看作是一个函数，有输入输出。输入是模板的参数，输出是模板里面的类型或者变量，这些输出也可以作为函数计算的中间变量，方便编码。
- 模板元编程，一定要有耐心，特别是debug，会特别的难受
