面试题：C++可扩展库中的模板元编程应用

Question

在构建可扩展的C++库时，模板元编程能发挥重要作用。请阐述模板元编程在库扩展性方面的优势，并举例说明如何使用模板元编程来实现编译期的类型检查和代码生成，以提高库的灵活性和性能。

Answer 1

模板元编程在库扩展性方面的优势

1. 编译期计算：可以在编译时执行计算，减少运行时开销。例如计算斐波那契数列，在编译期算出结果，运行时直接使用，提升效率。
2. 类型安全：通过模板参数进行类型检查，在编译期捕获类型不匹配错误，避免运行时错误，增强库的健壮性。
3. 代码生成：根据不同的模板参数生成不同的代码，实现代码的定制化，提高库的灵活性，满足多种应用场景。

编译期类型检查示例

template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

template<Integral T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

在上述代码中，使用概念 Integral 进行编译期类型检查，只有当模板参数 T 是整型时，函数 add 才是有效的，保证了类型安全。

编译期代码生成示例

template<int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

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

这里通过模板递归实现了编译期的阶乘计算，在编译时就生成了不同阶乘值的代码，运行时直接使用结果，提高了性能。