安德烈·卡尔波夫斯基
模板是c++中一个非常强大的特性，因为它们允许您编写接受数据类型作为额外参数的泛型程序。它们的这个特性意味着我们不需要为不同的数据类型重复类似的代码。
当模板第一次在c++中引入时，它们的功能是不可预见的。从那时起，模板已经发展成为c++内部的一种独立的函数式语言。这种语言有自己的语法、规则和大量的细节，其中之一我将在后面讨论。
模板如何工作
每个模板都定义了一组函数。毕竟，它是一种函数式语言。但是家族本身并不产生任何代码。相反，编译器只为程序中实际使用的函数生成代码。这个过程是一个多步骤的过程，叫做实例化．
templatestruct Foo {T val;};模板<> //生成的代码结构Foo {int val;};．.．template struct Foo ;//显式特化Foo Foo;//隐式特殊化…
首先，用户必须请求一个专业化,要么显式的或隐式的．看到这一点，编译器启动实例化过程，其中包括替换模板参数的。如果替换模板参数的代码有效，则编译器生成实际的特化。
结交新朋友
在c++中，“友谊”通常被认为是授予非成员函数或另一个类对类的私有和受保护成员的访问权限的一种手段。这样做是为了允许对非成员比较操作符进行对称转换，或者允许工厂类独占访问类的构造函数，以及其他原因。
空白栏();struct Foo {// bar现在可以使用Foo朋友void bar()的私人成员;}；
注意这个函数酒吧不需要在同一个转换单元中定义。但是当我们忘记定义它时会发生什么呢?
struct Foo {friend void bar();};
它仍然会编译。这可能会让您感到惊讶，但结果是完全有效的代码。
这叫做朋友宣言．它声明了函数酒吧，如果之前没有申报的话。(如果有，则重新声明一个。)与常规声明相比，这样的声明确实有一些限制，但这些限制对于本主题来说并不重要。
它声明了一个函数。但是这个函数有什么作用域呢?当函数首次在类内的友元声明中声明时，它将成为该类最内层外围名称空间的成员。但确实如此不声明它的类的成员。
struct Foo {friend void bar();};．.．酒吧();// error - bar没有被声明::bar();// error - bar不在全局ns中Foo::bar();// error - bar不是Foo的成员…
调用该函数的唯一方法是使用参数依赖查找(ADL)。ADL是一组用于查找非限定函数名的规则。除了通常的限定名称查找所考虑的作用域和名称空间之外，还在其参数的名称空间中查找这些函数名。
让我更改示例，如下图所示。
struct Foo {friend void bar(Foo) {cout << "Got it!"< < endl;}};．.．Foo Foo;酒吧(foo);// Ok -通过ADL找到…
注意，友元函数可以在类定义中定义。它们是内联函数，并且像成员内联函数一样，它们的行为就像在看到所有类成员之后，但在类作用域关闭之前立即定义的一样。
掉进兔子洞
现在让我把上面描述的技术结合起来。
templatestruct Foo {friend void bar() {cout << "Got it!"< < endl;}};
和以前一样，我们有一个结构喷火一个隐藏的朋友酒吧，现在结构已经模板化了。我们知道该叫它酒吧我们必须在全局命名空间中声明它。让我们试试这个。
templatestruct Foo {friend void bar() {cout << "Got it!"< < endl;}};空白栏();．.．酒吧();//错误-无法解决的外部符号…
嗯…发生了什么事?编译器只在被请求时生成模板实例化。因为没有结构的实例化喷火，的定义酒吧也不存在。编译器不知道结构的内容，所以我们必须实例化喷火明确。
templatestruct Foo {friend void bar() {cout << "Got it!"< < endl;}};空白栏();template struct Foo ;．.．酒吧();//好的…
现在它成功了!这很有趣，但你能发现一个问题吗?实际上有两个问题。
首先，请注意酒吧是指结构的特定专门化的普通函数(而不是模板函数)吗喷火．这意味着我们可以使用传递到的所有模板参数喷火-即使形参是指向另一个类的私有成员的指针。稍后将描述该特性。
其次，函数是否定义取决于是否特殊化喷火由编译器实例化。这是编译器的内部状态。c++中的模板有一种检查这种状态的方法:SFINAE，即“替换失败不是错误”。
有很多使用的例子这种技术，但是为了便于理解，我们将看看编译时计数器的实现。由于这段代码还不能用于生产，我们将使用c++ 20的一个新特性，我将在后面介绍。
访问私有成员
假设您有一个包含两个私有内部类(其中一个是模板化的)和一个公共方法的类函数．
class Parent {struct ChildA {};template类childdb {};Public: void func();//使用ChildB};
想象一下专业化ChildB<才能>在方法中使用函数．您希望显式地实例化这样的专门化。你将如何实现它?简单的问题-简单的答案。就像你平时做的那样:
class Parent {struct ChildA {};template类childdb {};Public: void func();//使用模板类Parent::ChildB;
这是一个棘手的部分。显式专门化在全局名称空间中，而不是在类本身中。但是编译器怎么知道你被允许使用私有内部类呢?答案是，它不会!对于这种情况，c++标准包含以下措辞:
§14.7.2/12
通常的访问检查规则不适用于用于指定显式实例化的名称。[注意:特别地，在函数声明器中使用的模板实参和名称(包括形参类型、返回类型和异常说明)可能是通常不可访问的私有类型或对象，模板可能是通常不可访问的成员模板或成员函数。-结束注。]
简而言之，它不会检查您是否允许这样做。这意味着我们可以为任何类编写外部getter。我们试着写一下。
类私有{int数据;};template int& dataGetter(Private& iObj){返回iObj.*成员;} template int& dataGetter<&Private::data>(Private&);．.．私人obj;dataGetter <私人::数据> (obj);/ /错误……
这里我们定义了一个函数，该函数用指向类成员的指针进行参数化私人有一个类型int．return语句中华丽的语法只是通过指针访问成员的一种方式。
当我们试图调用这个函数时，不幸的是，它将失败。调用不是显式实例化，将检查访问规则。
幸运的是，我们可以使用朋友注入使事情起作用。
templatestruct Stealer{好友int& dataGetter(Private& iObj){返回iObj.*成员;}};模板结构偷窃<&Private::数据>;int dataGetter(私人);//在全局ns中重新声明…私人obj;dataGetter(obj) = 31;//好的…
所以我们改变了一个任意类的私有成员。
编译时计数器
让我们转到第二部分，看看如何实现编译时计数器。首先，让我们来看看计数器的使用。
模板(int{})> constexpr int next(){返回R;}……Static_assert (next() == 0);Static_assert (next() == 1);Static_assert (next() == 2);．.．
是不是很漂亮?我们刚刚违反了语言的一个基本方面!然而，我要强调的是，一切都完全符合c++标准。
那么，这里发生了什么?好吧,下一个constexpr模板函数只有一个参数吗R有一个默认值。默认值由template函数生成读者它接受一个整数作为参数。如果您熟悉模板元编程，那么您可以猜到这一点读者实现为尾递归函数，迭代从0开始的所有连续数字。
templatestruct Flag {friend constexpr bool Flag(标志);};template struct Writer {friend constexpr bool flag(flag ){返回true;} static constexpr int值= N;};模板 constexpr int reader(float){返回Writer ::value;} template {})， auto = unique()> constexpr int reader(int){返回reader (int{});｝
递归的结束不是由数字本身控制的，而是由一个特殊函数的定义控制的国旗在全局命名空间中。如果之前生成了定义，则将控制传递给后续的定义读者函数。如果不是，则将定义注入全局名称空间by作家，返回当前值。
注意，第一次过载读者优先级较低，因为它接受浮点数。选择这个重载需要隐式浮点积分转换。
的实现是值得研究的最后一件事独特的函数。顾名思义，独特的每次调用都产生一些独特的东西。更具体地说，它生成一个具有唯一类型的对象。有必要绕过编译器对默认参数的缓存。如何实施?
templateconstexpr auto unique(){返回T;｝
从c++ 20开始，适用于非类型模板参数的类型列表已经扩展，现在它包括lambdas。每个lambda都隐式转换为具有唯一类型的函子。它甚至适用于默认参数!
有状态元编程的当前状态
下面是c++标准对有状态元编程的定义:
2118.通过友元注入的有状态元编程
章节:17.7.5 [temp.inject]状态:open提交人:Richard Smith发布日期:2015-04-27
在模板中定义友函数，然后在以后引用该函数提供了一种捕获和检索元编程状态的方法。这种技术是神秘的，应该是病态的。
2015年5月会议纪要:
英联邦工作组同意，这种技术应该是不良的，尽管禁止这种技术的机制尚未确定。
读到这里，您可能会觉得有状态元编程应该是非法的，委员会也有同样的感觉。问题是他们不知道该如何处理他们偶然引入的这个“功能”。这项技术早在2015年就被发现了，从那时起，这个问题就一直悬而未决。
结论
友情和模板是c++中强大的工具。像c++中的其他工具一样，它们的行为会让我们感到惊讶，而这些行为在组合在一起时可能会令人困惑。并不是说c++的这些方面很少，但它们再次证明了语言已经变得多么复杂。
[经LEDAS授权转载;原创故事:ledas.com/post/857-how-to-hack-c-with-templates-and-friends/]
你好安德鲁,
谢谢你的精彩文章，这是一个非常有趣的黑客!不幸的是，编译时计数器的代码看起来不能用clang 13编译。我的意思是静态断言失败，并且在每次static_assert之后计数器没有增加，函数' next() '总是返回零。
我对代码做了如下修改，希望能适合读者。
1.只使用typename = decltype([]{})作为reader(int)模板函数中的最后一个模板形参，而不是auto = unique()。我不知道为什么，但编译器缓存的值没有这个变化和阅读器<0>(int{})只是在第一次返回0(因为重载浮点被选择)和1之后的所有时间。
2.在next()函数模板中R之前添加另一个int模板形参，R应该依赖于这个新形参:
模板(int {}) >
Constexpr int next() {
返回R;
｝
如果没有这个更改，next()函数只返回0，即使reader<0>(int)按预期工作(因此，作为计数器)。
无论如何，这篇文章对每一个c++学习者和专业人士都非常有用。
作者:Pavel |2022年2月1日上午07:01