面试题：C++函数指针与指针函数在模板元编程中的深度应用

Question

在C++模板元编程环境下，利用函数指针和指针函数实现一个编译期的计算引擎，该引擎能够根据传入的模板参数（例如不同的计算操作符，如加、减、乘、除），在编译期选择合适的函数执行相应的计算，并返回结果。请详细解释你的设计思路以及代码实现细节。

Answer 1

设计思路

1. 定义函数指针类型别名：为不同的计算操作定义函数指针类型，方便后续使用。
2. 实现具体计算函数：编写加、减、乘、除等具体的计算函数。
3. 创建模板元编程计算引擎：通过模板参数来选择对应的函数指针，并在编译期调用相应的函数进行计算。

代码实现细节

// 定义加函数
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 定义减函数
int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

// 定义乘函数
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

// 定义除函数
int divide(int a, int b) {
    return a / b;
}

// 函数指针类型别名
using AddFuncPtr = int (*)(int, int);
using SubtractFuncPtr = int (*)(int, int);
using MultiplyFuncPtr = int (*)(int, int);
using DivideFuncPtr = int (*)(int, int);

// 模板元编程计算引擎
template <typename FuncPtr, int a, int b>
struct CompileTimeCalculator {
    static const int result;
};

template <int a, int b>
struct CompileTimeCalculator<AddFuncPtr, a, b> {
    static const int result = add(a, b);
};

template <int a, int b>
struct CompileTimeCalculator<SubtractFuncPtr, a, b> {
    static const int result = subtract(a, b);
};

template <int a, int b>
struct CompileTimeCalculator<MultiplyFuncPtr, a, b> {
    static const int result = multiply(a, b);
};

template <int a, int b>
struct CompileTimeCalculator<DivideFuncPtr, a, b> {
    static const int result = divide(a, b);
};

int main() {
    // 使用编译期计算引擎
    static_assert(CompileTimeCalculator<AddFuncPtr, 3, 5>::result == 8, "Addition failed");
    static_assert(CompileTimeCalculator<SubtractFuncPtr, 5, 3>::result == 2, "Subtraction failed");
    static_assert(CompileTimeCalculator<MultiplyFuncPtr, 3, 5>::result == 15, "Multiplication failed");
    static_assert(CompileTimeCalculator<DivideFuncPtr, 10, 2>::result == 5, "Division failed");

    return 0;
}

在上述代码中：

1. 首先定义了加、减、乘、除四个具体的计算函数。
2. 然后为这四个函数定义了对应的函数指针类型别名。
3. CompileTimeCalculator 模板类根据传入的函数指针模板参数，在编译期选择合适的函数执行计算，并将结果作为静态常量 result 提供。
4. 在 main 函数中，通过 static_assert 来验证编译期计算的结果是否正确。