【Linux C/C++开发】第25章：元编程技术

第25章：元编程技术

25.1 模板元编程基础概念

25.1.1 编译期计算的本质

模板元编程的核心思想 ：

模板元编程就像建筑师的蓝图设计，在真正建造房子（运行程序）之前，先在图纸上完成所有设计和计算。编译器就是那个严格的建筑师，确保所有计算都在建造前完成：

现实类比：

• 模板元编程 = 建筑设计图纸上的预计算
• 运行时计算 = 房子建造过程中的实时计算
• 编译器 = 建筑师，确保设计正确性

// 编译期阶乘计算
template<unsigned int n>
struct Factorial {
    static constexpr unsigned int value = n * Factorial<n - 1>::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    static constexpr unsigned int value = 1;
};

// 编译期斐波那契数列
template<size_t n>
struct Fibonacci {
    static constexpr size_t value = Fibonacci<n - 1>::value + Fibonacci<n - 2>::value;
};

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

template<>
struct Fibonacci<1> {
    static constexpr size_t value = 1;
};

编译期计算的性能考虑 ：

就像建筑图纸不能无限复杂，模板元编程也要考虑编译器的"消化能力"。模板嵌套太深就像图纸层级太多，会让编译器"看不懂"：

实际经验法则：

• 模板递归深度 < 100层（避免编译器"消化不良"）
• 编译时间增长 ≈ 线性关系（每增加一层，编译时间相应增加）
• 就像建筑图纸，合理的设计层级能让施工更顺利

25.1.2 类型操作的本质

类型萃取（Type Traits）的核心概念 ：

类型萃取就像医生的诊断工具，能够在编译期"检查"类型的各种"健康状况"。每种类型萃取工具就像特定的医疗仪器：

现实类比：

• is_same<T, U> = DNA检测，检查两个类型是否完全相同
• remove_const<T> = 卸妆工具，去除类型的const"妆容"
• conditional<B, T, F> = 智能分流器，根据条件选择不同类型
  类型萃取提供了编译期类型查询和操作的能力：

// 基本类型萃取
template<typename T>
struct type_identity {
    using type = T;
};

// 条件类型选择
template<bool B, typename T, typename F>
struct conditional {
    using type = T;
};

template<typename T, typename F>
struct conditional<false, T, F> {
    using type = F;
};

// 类型关系判断
template<typename T, typename U>
struct is_same {
    static constexpr bool value = false;
};

template<typename T>
struct is_same<T, T> {
    static constexpr bool value = true;
};

// 类型转换
template<typename T>
struct remove_const {
    using type = T;
};

template<typename T>
struct remove_const<const T> {
    using type = T;
};

25.2 高级模板元编程技术

25.2.1 SFINAE原理与应用

SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）的核心思想 ：

SFINAE就像招聘过程中的"技能测试"，如果应聘者不具备某项技能（模板替换失败），不会直接拒绝（编译错误），而是尝试其他岗位（其他模板重载）：

现实类比：

• 模板实例化 = 招聘过程
• 替换失败 = 技能不匹配
• SFINAE = 智能匹配系统，自动寻找最适合的岗位
• 编译器 = HR，负责匹配合适的候选人

// 检测类型是否定义了某个成员
template<typename T>
class has_size_method {
    typedef char one;
    typedef struct { char array[2]; } two;
    
    template<typename C> static one test(decltype(&C::size));
    template<typename C> static two test(...);
    
public:
    static constexpr bool value = sizeof(test<T>(0)) == sizeof(one);
};

// 使用enable_if进行条件编译
template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, T>::type
process_integral(T value) {
    return value * 2;
}

template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value, T>::type
process_floating_point(T value) {
    return value * 1.5;
}

// 更复杂的SFINAE应用
template<typename T>
class is_complete {
    template<typename U, typename = decltype(sizeof(U))>
    static std::true_type test(int);
    
    template<typename>
    static std::false_type test(...);
    
public:
    static constexpr bool value = decltype(test<T>(0))::value;
};

25.2.2 模板特化与偏特化

模板特化的核心概念 ：

模板特化就像定制服装，主模板是标准尺码，特化版本是为特殊体型定制的服装：

现实类比：

• 主模板 = 标准尺码服装（适合大多数人）
• 完全特化 = 为特定客户量身定制的服装（int+double组合）
• 偏特化 = 为某类体型定制的服装（比如相同类型的组合）
• 编译器 = 裁缝，根据客户特征选择最合适的模板

// 主模板
template<typename T, typename U>
struct type_pair {
    using first = T;
    using second = U;
};

// 完全特化
template<>
struct type_pair<int, double> {
    using first = int;
    using second = double;
    static constexpr bool is_specialized = true;
};

// 偏特化
template<typename T>
struct type_pair<T, T> {
    using first = T;
    using second = T;
    static constexpr bool is_same_type = true;
};

// 更复杂的偏特化
template<typename T, typename U>
struct is_convertible {
    static constexpr bool value = false;
};

template<typename T>
struct is_convertible<T, T> {
    static constexpr bool value = true;
};

// 指针偏特化
template<typename T>
struct is_pointer {
    static constexpr bool value = false;
};

template<typename T>
struct is_pointer<T*> {
    static constexpr bool value = true;
};

// 函数指针偏特化
template<typename T>
struct is_function_pointer {
    static constexpr bool value = false;
};

template<typename R, typename... Args>
struct is_function_pointer<R(*)(Args...)> {
    static constexpr bool value = true;
};

25.3 现代元编程技术

25.3.1 constexpr与编译期计算

constexpr的核心概念 ：

constexpr就像预制建筑构件，在工厂（编译期）就完成制作，到现场（运行时）直接安装使用，既保证了质量又提高了效率：

现实类比：

• constexpr函数 = 预制构件，编译期制作完成
• 普通函数 = 现场浇筑，运行时临时制作
• 编译器 = 工厂，负责预制构件的生产
• 运行时 = 建筑工地，直接使用预制构件

// 编译期字符串长度计算
constexpr size_t strlen_const(const char* str) {
    size_t length = 0;
    while (str[length] != '\0') {
        ++length;
    }
    return length;
}

// 编译期字符串比较
constexpr int strcmp_const(const char* s1, const char* s2) {
    while (*s1 && (*s1 == *s2)) {
        ++s1;
        ++s2;
    }
    return *(const unsigned char*)s1 - *(const unsigned char*)s2;
}

// 编译期哈希计算
constexpr uint32_t hash_const(const char* str) {
    uint32_t hash = 5381;
    while (*str) {
        hash = ((hash << 5) + hash) + *str++;
    }
    return hash;
}

// 编译期数学计算
constexpr double power_const(double base, int exponent) {
    double result = 1.0;
    bool negative = exponent < 0;
    exponent = negative ? -exponent : exponent;
    
    for (int i = 0; i < exponent; ++i) {
        result *= base;
    }
    
    return negative ? 1.0 / result : result;
}

// 编译期数组排序
template<typename T, size_t N>
constexpr void bubble_sort_const(std::array<T, N>& arr) {
    for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < N - i - 1; ++j) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                T temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

25.3.2 变参模板元编程

参数包的核心概念 ：

参数包就像瑞士军刀，可以容纳各种不同类型的工具（类型），并且能够在编译期进行各种操作：

现实类比：

• 参数包 = 工具箱，可以装各种工具（类型）
• 参数包展开 = 依次取出工具使用
• 参数包大小 = 工具数量统计
• 类型索引访问 = 按编号取出特定工具
• 递归处理 = 逐个检查工具直到找到合适的

// 参数包大小计算
template<typename... Args>
struct pack_size {
    static constexpr size_t value = sizeof...(Args);
};

// 参数包索引访问
template<size_t I, typename T, typename... Rest>
struct type_at_index {
    using type = typename type_at_index<I - 1, Rest...>::type;
};

template<typename T, typename... Rest>
struct type_at_index<0, T, Rest...> {
    using type = T;
};

// 参数包折叠操作（C++17之前）
template<typename... Args>
struct sum_sizes {
    static constexpr size_t value = 0;
};

template<typename T, typename... Rest>
struct sum_sizes<T, Rest...> {
    static constexpr size_t value = sizeof(T) + sum_sizes<Rest...>::value;
};

// 类型列表操作
template<typename... Types>
struct type_list {
    static constexpr size_t size = sizeof...(Types);
};

template<typename List>
struct head;

template<typename H, typename... T>
struct head<type_list<H, T...>> {
    using type = H;
};

template<typename List>
struct tail;

template<typename H, typename... T>
struct tail<type_list<H, T...>> {
    using type = type_list<T...>;
};

// 类型列表连接
template<typename List1, typename List2>
struct concat;

template<typename... Types1, typename... Types2>
struct concat<type_list<Types1...>, type_list<Types2...>> {
    using type = type_list<Types1..., Types2...>;
};

25.4 现代C++元编程特性

25.4.1 if constexpr的应用

编译期分支选择：

// 类型安全的打印函数
template<typename T>
void smart_print(const T& value) {
    if constexpr (std::is_arithmetic_v<T>) {
        std::cout << "Number: " << value << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
        std::cout << "String: \"" << value << "\"" << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_pointer_v<T>) {
        std::cout << "Pointer: " << static_cast<const void*>(value) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Other type: " << typeid(T).name() << std::endl;
    }
}

// 编译期算法选择
template<typename Container>
auto smart_sum(const Container& container) {
    using value_type = typename Container::value_type;
    
    if constexpr (std::is_arithmetic_v<value_type>) {
        return std::accumulate(container.begin(), container.end(), value_type{});
    } else if constexpr (requires(const value_type& v) { v.value(); }) {
        return std::accumulate(container.begin(), container.end(), 
                              typename value_type::value_type{},
                              [](auto sum, const auto& elem) { 
                                  return sum + elem.value(); 
                              });
    } else {
        static_assert(always_false<value_type>::value, "Cannot sum this container");
        return value_type{};
    }
}

// 编译期容器操作
template<typename Container>
void smart_sort(Container& container) {
    using value_type = typename Container::value_type;
    
    if constexpr (requires { std::sort(container.begin(), container.end()); }) {
        std::sort(container.begin(), container.end());
    } else if constexpr (requires { container.sort(); }) {
        container.sort();
    } else {
        static_assert(always_false<Container>::value, "Cannot sort this container");
    }
}

25.4.2 折叠表达式的高级应用

折叠表达式的核心概念 ：

折叠表达式就像流水线作业，把多个操作依次处理，最终得到一个结果：

现实类比：

• 一元折叠 = 串糖葫芦，一个接一个串起来
• 二元折叠 = 流水线装配，两两组合处理
• 求和折叠 = 累加器，逐个相加
• 逻辑折叠 = 投票系统，逐个统计意见

// 通用折叠操作
template<typename... Args>
constexpr auto sum(Args... args) {
    return (args + ...);
}

template<typename... Args>
constexpr auto product(Args... args) {
    return (args * ...);
}

template<typename... Args>
constexpr bool all_true(Args... args) {
    return (args && ...);
}

template<typename... Args>
constexpr bool any_true(Args... args) {
    return (args || ...);
}

// 自定义操作符的折叠
template<typename... Args>
auto custom_fold(Args... args) {
    return (std::max(args, ...));
}

// 逗号折叠的应用
template<typename... Funcs>
void execute_all(Funcs... funcs) {
    (funcs(), ...);
}

template<typename Container, typename... Values>
void insert_all(Container& container, Values... values) {
    (container.insert(values), ...);
}

// 复杂折叠操作
template<typename T, typename... Args>
constexpr T fold_with_operation(T init, auto operation, Args... args) {
    return (init operation ... operation args);
}

// 类型信息的折叠
template<typename... Types>
constexpr size_t total_size() {
    return (sizeof(Types) + ...);
}

template<typename... Types>
constexpr size_t max_alignment() {
    return std::max({alignof(Types)...});
}

25.5 高级元编程模式

25.5.1 类型列表操作

类型列表的代数操作：

// 类型列表定义
template<typename... Types>
struct type_list {
    static constexpr size_t size = sizeof...(Types);
};

// 类型列表的基本操作
template<typename List>
struct head;

template<typename H, typename... T>
struct head<type_list<H, T...>> {
    using type = H;
};

template<typename List>
struct tail;

template<typename H, typename... T>
struct tail<type_list<H, T...>> {
    using type = type_list<T...>;
};

// 类型列表连接
template<typename List1, typename List2>
struct concat;

template<typename... Types1, typename... Types2>
struct concat<type_list<Types1...>, type_list<Types2...>> {
    using type = type_list<Types1..., Types2...>;
};

// 类型列表反转
template<typename List>
struct reverse;

template<typename H, typename... T>
struct reverse<type_list<H, T...>> {
    using type = typename concat<typename reverse<type_list<T...>>::type, type_list<H>>::type;
};

template<>
struct reverse<type_list<>> {
    using type = type_list<>;
};

// 类型在列表中的索引
template<typename T, typename List>
struct index_of;

template<typename T, typename... Types>
struct index_of<T, type_list<T, Types...>> {
    static constexpr size_t value = 0;
};

template<typename T, typename H, typename... Types>
struct index_of<T, type_list<H, Types...>> {
    static constexpr size_t value = 1 + index_of<T, type_list<Types...>>::value;
};

// 类型列表去重
template<typename List>
struct unique;

template<typename H, typename... T>
struct unique<type_list<H, T...>> {
    using rest = typename unique<type_list<T...>>::type;
    using type = std::conditional_t<index_of<H, rest>::value == rest::size,
                                   type_list<H, typename rest::types...>,
                                   rest>;
};

template<>
struct unique<type_list<>> {
    using type = type_list<>;
};

25.5.2 编译期字符串处理

编译期字符串的核心概念 ：

编译期字符串就像刻在石头上的文字，一旦刻好（编译完成）就不可更改，但可以在刻之前（编译期）进行各种处理和验证：

现实类比：

• 编译期字符串 = 石刻文字，永久固定
• 运行期字符串 = 黑板字，可以随时擦写
• 字符串操作 = 刻字工艺，需要精确技巧
• 编译器 = 石匠，负责刻字工作

// 编译期字符串
template<size_t N>
struct compile_time_string {
    char data[N];
    
    constexpr compile_time_string(const char (&str)[N]) {
        for (size_t i = 0; i < N; ++i) {
            data[i] = str[i];
        }
    }
    
    constexpr size_t length() const {
        return N - 1;
    }
    
    constexpr char operator[](size_t i) const {
        return data[i];
    }
    
    constexpr bool operator==(const compile_time_string& other) const {
        if (N != other.length() + 1) return false;
        for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i) {
            if (data[i] != other[i]) return false;
        }
        return true;
    }
};

// 字符串连接
template<size_t N1, size_t N2>
constexpr auto concat(const compile_time_string<N1>& s1, const compile_time_string<N2>& s2) {
    compile_time_string<N1 + N2 - 1> result{};
    for (size_t i = 0; i < N1 - 1; ++i) {
        result.data[i] = s1.data[i];
    }
    for (size_t i = 0; i < N2; ++i) {
        result.data[N1 - 1 + i] = s2.data[i];
    }
    return result;
}

// 编译期哈希
template<size_t N>
constexpr uint32_t hash(const compile_time_string<N>& str) {
    uint32_t hash = 5381;
    for (size_t i = 0; i < str.length(); ++i) {
        hash = ((hash << 5) + hash) + str[i];
    }
    return hash;
}

// 编译期字符串查找
template<size_t N, size_t M>
constexpr size_t find(const compile_time_string<N>& str, const compile_time_string<M>& substr) {
    if (M > N) return N;
    
    for (size_t i = 0; i <= N - M; ++i) {
        bool found = true;
        for (size_t j = 0; j < M - 1; ++j) {
            if (str[i + j] != substr[j]) {
                found = false;
                break;
            }
        }
        if (found) return i;
    }
    return N;
}

25.6 现代元编程实践

25.6.1 编译期反射系统

反射的元编程实现：

// 类型信息系统
template<typename T>
struct type_info {
    static constexpr const char* name() {
        return typeid(T).name();
    }
    
    static constexpr size_t size() {
        return sizeof(T);
    }
    
    static constexpr size_t alignment() {
        return alignof(T);
    }
    
    static constexpr bool is_trivial() {
        return std::is_trivial_v<T>;
    }
    
    static constexpr bool is_standard_layout() {
        return std::is_standard_layout_v<T>;
    }
};

// 成员变量检测
template<typename T, typename = void>
struct has_value_member : std::false_type {};

template<typename T>
struct has_value_member<T, std::void_t<decltype(std::declval<T>().value)>> : std::true_type {};

// 成员函数检测
template<typename T, typename = void>
struct has_size_method : std::false_type {};

template<typename T>
struct has_size_method<T, std::void_t<decltype(std::declval<T>().size())>> : std::true_type {};

// 编译期类型注册系统
template<typename T>
struct type_registry {
    static constexpr size_t id = typeid(T).hash_code();
    static constexpr const char* name = typeid(T).name();
    
    template<typename U>
    static constexpr bool is_base_of() {
        return std::is_base_of_v<U, T>;
    }
    
    template<typename U>
    static constexpr bool is_convertible_to() {
        return std::is_convertible_v<T, U>;
    }
};

// 序列化支持检测
template<typename T, typename = void>
struct is_serializable : std::false_type {};

template<typename T>
struct is_serializable<T, std::void_t<decltype(std::declval<T>().serialize())>> : std::true_type {};

25.6.2 编译期配置系统

配置系统的元编程实现：

// 编译期配置项
template<typename T, T DefaultValue>
struct config_value {
    static constexpr T value = DefaultValue;
    using type = T;
};

// 编译期配置管理器
template<typename... Configs>
struct config_manager {
    template<typename Config>
    static constexpr auto get() {
        return Config::value;
    }
    
    template<typename Config, typename NewValue>
    using set = config_manager<Configs..., config_value<typename Config::type, NewValue::value>>;
};

// 编译期条件配置
template<bool Condition, typename TrueConfig, typename FalseConfig>
struct conditional_config {
    using type = std::conditional_t<Condition, TrueConfig, FalseConfig>;
    static constexpr auto value = type::value;
};

// 编译期配置验证
template<typename Config>
struct config_validator {
    static constexpr bool is_valid() {
        return Config::value >= Config::min_value && Config::value <= Config::max_value;
    }
};

// 编译期性能配置
template<size_t CacheSize>
struct cache_config {
    static constexpr size_t size = CacheSize;
    static constexpr size_t min_value = 1024;
    static constexpr size_t max_value = 1024 * 1024;
    
    static constexpr bool is_power_of_two() {
        return (size & (size - 1)) == 0;
    }
    
    static constexpr size_t next_power_of_two() {
        size_t n = size;
        n--;
        n |= n >> 1;
        n |= n >> 2;
        n |= n >> 4;
        n |= n >> 8;
        n |= n >> 16;
        n++;
        return n;
    }
};

25.7 元编程设计模式

25.7.1 策略模式的元编程实现

编译期策略选择：

// 策略接口
template<typename T>
struct sorting_strategy {
    static constexpr const char* name() { return "unknown"; }
    
    template<typename Container>
    static void sort(Container& container) {
        static_assert(always_false<T>::value, "Strategy not implemented");
    }
};

// 快速排序策略
template<typename T>
struct quick_sort_strategy {
    static constexpr const char* name() { return "quick_sort"; }
    
    template<typename Container>
    static void sort(Container& container) {
        std::sort(container.begin(), container.end());
    }
};

// 归并排序策略
template<typename T>
struct merge_sort_strategy {
    static constexpr const char* name() { return "merge_sort"; }
    
    template<typename Container>
    static void sort(Container& container) {
        std::stable_sort(container.begin(), container.end());
    }
};

// 编译期策略选择
template<typename T, template<typename> typename Strategy>
class configurable_sorter {
public:
    template<typename Container>
    static void sort(Container& container) {
        Strategy<T>::sort(container);
    }
    
    static constexpr const char* strategy_name() {
        return Strategy<T>::name();
    }
};

// 基于类型特征的策略选择
template<typename T>
struct auto_strategy_selector {
    using type = std::conditional_t<std::is_arithmetic_v<T>,
                                   quick_sort_strategy<T>,
                                   merge_sort_strategy<T>>;
};

25.7.2 工厂模式的元编程实现

编译期工厂系统：

// 类型标识符
template<size_t ID>
struct type_id {
    static constexpr size_t value = ID;
};

// 编译期工厂
template<typename... Types>
struct compile_time_factory {
    template<size_t ID>
    using create = typename type_at_index<ID, type_list<Types...>>::type;
    
    template<size_t ID>
    static constexpr bool is_valid() {
        return ID < sizeof...(Types);
    }
    
    static constexpr size_t type_count() {
        return sizeof...(Types);
    }
};

// 带条件的工厂
template<template<typename> typename Predicate, typename... Types>
struct conditional_factory {
    using filtered_types = typename filter_types<Predicate, type_list<Types...>>::type;
    
    template<size_t ID>
    using create = typename type_at_index<ID, filtered_types>::type;
    
    template<size_t ID>
    static constexpr bool is_valid() {
        return ID < filtered_types::size;
    }
};

// 类型过滤
template<template<typename> typename Predicate, typename List>
struct filter_types;

template<template<typename> typename Predicate, typename H, typename... T>
struct filter_types<Predicate, type_list<H, T...>> {
    using rest = typename filter_types<Predicate, type_list<T...>>::type;
    using type = std::conditional_t<Predicate<H>::value,
                                   typename concat<type_list<H>, rest>::type,
                                   rest>;
};

template<template<typename> typename Predicate>
struct filter_types<Predicate, type_list<>> {
    using type = type_list<>;
};

25.8 概念与实践练习

25.8.1 编译期算法实现

练习1：实现编译期图算法

// 编译期图的表示
template<size_t V, typename... Edges>
struct compile_time_graph {
    static constexpr size_t vertices = V;
    static constexpr size_t edges = sizeof...(Edges);
    
    // 边的表示
template<size_t From, size_t To, int Weight = 1>
    struct edge {
        static constexpr size_t from = From;
        static constexpr size_t to = To;
        static constexpr int weight = Weight;
    };
    
    // 编译期邻接矩阵
template<typename Graph>
    struct adjacency_matrix {
        static constexpr size_t size = Graph::vertices;
        static constexpr int matrix[size][size] = create_matrix<Graph>();
        
    private:
template<typename G, size_t I = 0, size_t J = 0>
        static constexpr int get_weight() {
            if constexpr (I >= G::vertices || J >= G::vertices) {
                return 0;
            } else {
                return get_edge_weight<G, I, J>();
            }
        }
        
template<typename G, size_t I, size_t J>
        static constexpr int get_edge_weight() {
            return 0; // 基础情况，需要特化具体的边
        }
        
template<typename G>
        static constexpr auto create_matrix() {
            std::array<std::array<int, size>, size> result{};
            for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
                for (size_t j = 0; j < size; ++j) {
                    result[i][j] = get_weight<G, i, j>();
                }
            }
            return result;
        }
    };
    
    // 编译期最短路径（Floyd-Warshall）
template<typename Matrix>
    struct shortest_paths {
        static constexpr size_t n = Matrix::size;
        static constexpr auto distances = compute_shortest_paths<Matrix>();
        
    private:
template<typename M>
        static constexpr auto compute_shortest_paths() {
            auto dist = M::matrix;
            
            // 初始化对角线
            for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
                dist[i][i] = 0;
            }
            
            // Floyd-Warshall算法
            for (size_t k = 0; k < n; ++k) {
                for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
                    for (size_t j = 0; j < n; ++j) {
                        if (dist[i][k] != std::numeric_limits<int>::max() &&
                            dist[k][j] != std::numeric_limits<int>::max() &&
                            dist[i][k] + dist[k][j] < dist[i][j]) {
                            dist[i][j] = dist[i][k] + dist[k][j];
                        }
                    }
                }
            }
            
            return dist;
        }
    };
};

练习2：实现编译期正则表达式

// 正则表达式状态机
template<typename Pattern>
struct compile_time_regex {
    // 状态定义
    enum class State {
        START,
        MATCH,
        SPLIT,
        JUMP,
        ACCEPT,
        REJECT
    };
    
    // 编译期状态转换表
    static constexpr auto compile_pattern() {
        // 简化的正则表达式编译
        return compile_pattern_impl<Pattern>();
    }
    
    // 编译期匹配
template<typename String>
    static constexpr bool match() {
        constexpr auto pattern = compile_pattern();
        constexpr auto text = String::data;
        
        return match_impl(pattern, text);
    }
    
private:
template<typename P>
    static constexpr auto compile_pattern_impl() {
        // 简化的模式编译
        std::array<State, 256> table{};
        table[static_cast<int>(State::START)] = State::MATCH;
        return table;
    }
    
    static constexpr bool match_impl(const auto& pattern, const char* text) {
        size_t state = 0;
        size_t text_pos = 0;
        
        while (text[text_pos] != '\0') {
            char c = text[text_pos];
            State current = pattern[state];
            
            switch (current) {
                case State::ACCEPT:
                    return true;
                case State::REJECT:
                    return false;
                case State::MATCH:
                    if (c == 'a') { // 简化匹配
                        state++;
                        text_pos++;
                    } else {
                        return false;
                    }
                    break;
                default:
                    return false;
            }
        }
        
        return pattern[state] == State::ACCEPT;
    }
};

25.8.2 元编程实践项目

项目：编译期序列化库

设计并实现一个编译期序列化库，要求：

1. 支持基本类型的编译期序列化
2. 支持结构体的自动序列化
3. 提供编译期大小计算
4. 支持不同字节序的转换
5. 提供类型安全检查

实现框架：

// 序列化概念
template<typename T>
concept Serializable = requires(T t) {
    { serialize(t) } -> std::convertible_to<std::array<uint8_t, sizeof(T)>>;
};

// 基本类型序列化
template<typename T>
    requires std::is_arithmetic_v<T>
constexpr auto serialize(const T& value) {
    std::array<uint8_t, sizeof(T)> result;
    const uint8_t* bytes = reinterpret_cast<const uint8_t*>(&value);
    std::copy(bytes, bytes + sizeof(T), result.begin());
    return result;
}

// 结构体序列化（需要特化）
template<typename T>
constexpr auto serialize(const T& value) {
    static_assert(has_serialize_method<T>::value, 
                  "Type must provide serialize method or be specialized");
    return value.serialize();
}

// 编译期大小计算
template<typename T>
constexpr size_t serialized_size() {
    return sizeof(T);
}

// 字节序转换
template<typename T>
constexpr T swap_endian(T value) {
    if constexpr (sizeof(T) == 1) {
        return value;
    } else if constexpr (sizeof(T) == 2) {
        return ((value & 0xFF00) >> 8) | ((value & 0x00FF) << 8);
    } else if constexpr (sizeof(T) == 4) {
        return ((value & 0xFF000000) >> 24) |
               ((value & 0x00FF0000) >> 8) |
               ((value & 0x0000FF00) << 8) |
               ((value & 0x000000FF) << 24);
    } else {
        static_assert(sizeof(T) == 8, "Unsupported size");
        return ((value & 0xFF00000000000000) >> 56) |
               ((value & 0x00FF000000000000) >> 40) |
               ((value & 0x0000FF0000000000) >> 24) |
               ((value & 0x000000FF00000000) >> 8) |
               ((value & 0x00000000FF000000) << 8) |
               ((value & 0x0000000000FF0000) << 24) |
               ((value & 0x000000000000FF00) << 40) |
               ((value & 0x00000000000000FF) << 56);
    }
}

25.9 进阶研究方向

25.9.1 高级元编程技术

1. 反射的元编程实现：编译期反射系统的概念和实现
2. 概念系统的元编程：概念约束的编译期实现和优化
3. 模块化元编程：模块系统的元编程接口设计
4. 协程的元编程：协程状态机的编译期生成

25.9.2 元编程优化实践

1. 编译性能优化：模板实例化的性能分析和优化技巧
2. 内存使用优化：编译期计算的内存使用优化方法
3. 增量编译优化：模板实例化的增量编译策略
4. 并行编译优化：编译期计算的并行化实践

25.9.3 元编程前沿研究

1. 量子计算的元编程：量子算法的编译期实现
2. 机器学习的元编程：编译期神经网络架构搜索
3. 形式化验证的元编程：编译期程序正确性证明
4. 异构计算的元编程：多目标平台的编译期代码生成

25.10 小结

元编程技术代表了C++模板系统的最高级应用，将计算从运行期转移到编译期，实现了零开销抽象。本章系统阐述了：

1. 编译期计算概念：模板递归、编译期性能分析、类型操作的实际应用
2. 高级模板技术：SFINAE原理、模板特化、偏特化的实际应用
3. 现代元编程特性：constexpr、if constexpr、折叠表达式的编译期计算应用
4. 类型系统操作：类型列表、类型萃取、类型转换的实际应用
5. 设计模式元编程：策略模式、工厂模式的编译期实现
6. 编译期算法：图算法、字符串处理、序列化的编译期实现
7. 反射与配置系统：编译期反射、配置管理的元编程框架

元编程技术使C++能够在编译期完成复杂的计算和优化，生成高度优化的机器代码。掌握这些技术对于编写高性能、类型安全的现代C++系统至关重要，为构建零开销抽象的库和框架奠定了坚实的技术基础。