面试题：C++访问控制在模板元编程中的应用与挑战

Question

在C++模板元编程中，如何通过访问控制机制来实现类型安全的元函数组合？例如，假设有一系列元函数，有些元函数只能作用于特定类型（例如，一个元函数只能对整数类型进行操作），如何利用访问控制确保在模板实例化时，只有符合条件的类型能参与元函数的组合，同时要考虑如何处理模板递归实例化过程中的访问控制问题。请给出详细的思路和示例代码。

Answer 1

思路

1. 类型标签与SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）：利用类型标签来标记不同类型，例如整数类型标签、浮点类型标签等。SFINAE机制允许我们在模板实例化失败时，不会导致编译错误，而是使该模板实例化从候选列表中被排除。
2. 访问控制与元函数组合：在元函数模板中，通过enable_if结合类型标签来实现访问控制。只有当类型符合特定条件时，元函数才会被实例化。
3. 处理模板递归实例化：在递归模板实例化中，同样利用enable_if确保每次递归调用都满足访问控制条件。

示例代码

#include <type_traits>
#include <iostream>

// 类型标签定义
struct IntTag {};
struct FloatTag {};

// 类型判断元函数
template <typename T>
struct TypeTagSelector {
    static_assert(false, "Unsupported type");
};

template <>
struct TypeTagSelector<int> {
    using type = IntTag;
};

template <>
struct TypeTagSelector<float> {
    using type = FloatTag;
};

// 元函数，仅对整数类型操作
template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_same<typename TypeTagSelector<T>::type, IntTag>::value>::type>
struct IntegerOnlyMetaFunction {
    static const int value = T::value * 2;
};

// 元函数，仅对浮点类型操作
template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_same<typename TypeTagSelector<T>::type, FloatTag>::value>::type>
struct FloatOnlyMetaFunction {
    static const float value = T::value * 1.5f;
};

// 模板递归元函数示例，对整数类型进行累加
template <int N, typename = typename std::enable_if<std::is_same<typename TypeTagSelector<int>::type, IntTag>::value>::type>
struct RecursiveMetaFunction {
    static const int value = N + RecursiveMetaFunction<N - 1>::value;
};

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

int main() {
    struct IntType {
        static const int value = 5;
    };
    struct FloatType {
        static const float value = 3.5f;
    };

    // 测试整数元函数
    std::cout << "IntegerOnlyMetaFunction result: " << IntegerOnlyMetaFunction<IntType>::value << std::endl;

    // 测试浮点元函数
    std::cout << "FloatOnlyMetaFunction result: " << FloatOnlyMetaFunction<FloatType>::value << std::endl;

    // 测试递归元函数
    std::cout << "RecursiveMetaFunction result: " << RecursiveMetaFunction<5>::value << std::endl;

    return 0;
}

代码解释

1. 类型标签定义：定义了IntTag和FloatTag分别用于标记整数类型和浮点类型。
2. 类型判断元函数：TypeTagSelector根据传入的类型选择对应的类型标签，若类型不支持则触发static_assert。
3. 元函数定义：IntegerOnlyMetaFunction和FloatOnlyMetaFunction通过enable_if结合TypeTagSelector确保只有符合条件的类型才能实例化。
4. 递归元函数：RecursiveMetaFunction展示了在递归实例化中如何应用访问控制，确保仅对整数类型进行操作。
5. 测试部分：在main函数中测试了各个元函数的功能。