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面试题：C++ 函数重载模板在元编程中的深度应用

在C++元编程中，如何利用函数重载和模板来实现类型序列操作（例如类型列表的拼接、筛选特定类型等）？请详细描述实现思路，并给出关键代码示例，说明如何通过函数重载模板来调度不同类型的操作。
46.8万 热度难度
编程语言C++

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实现思路

  1. 类型列表定义：使用模板元编程定义类型列表。可以通过递归模板来表示类型序列，一个空类型列表作为递归终止条件，然后通过嵌套模板将新类型添加到列表中。
  2. 函数重载和模板特化：针对不同的类型序列操作（如拼接、筛选），编写不同的函数模板。通过函数重载来处理不同类型的输入，利用模板特化来针对特定情况（如空类型列表）进行特殊处理。在处理类型列表操作时，通过递归实例化模板来遍历类型列表，并在每次递归中根据具体操作逻辑决定如何处理当前类型。

关键代码示例 - 类型列表定义

// 空类型列表
template <typename... Ts>
struct TypeList {};

// 辅助结构体，用于将单个类型添加到类型列表
template <typename T, typename... Ts>
struct PushBack {
    using type = TypeList<T, Ts...>;
};

关键代码示例 - 类型列表拼接

// 拼接两个类型列表
template <typename List1, typename List2>
struct Concat;

// 终止条件：List1为空
template <typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = TypeList<Ts2...>;
};

// 递归拼接
template <typename T1, typename... Ts1, typename... Ts2>
struct Concat<TypeList<T1, Ts1...>, TypeList<Ts2...>> {
    using type = typename PushBack<T1, typename Concat<TypeList<Ts1...>, TypeList<Ts2...>>::type>::type;
};

关键代码示例 - 筛选特定类型

// 筛选出类型列表中特定类型
template <typename T, typename List>
struct Filter;

// 终止条件：空类型列表
template <typename T>
struct Filter<T, TypeList<>> {
    using type = TypeList<>;
};

// 递归筛选
template <typename T, typename U, typename... Us>
struct Filter<T, TypeList<U, Us...>> {
    using type = typename std::conditional<
        std::is_same<T, U>::value,
        typename PushBack<U, typename Filter<T, TypeList<Us...>>::type>::type,
        typename Filter<T, TypeList<Us...>>::type
    >::type;
};

调度不同类型操作说明

  1. 函数重载：通过定义不同参数列表的函数模板，编译器会根据传入的实际类型列表来选择最合适的函数模板实例化。例如，在Concat模板中，针对空List1的特化和一般情况下的List1非空的模板，编译器会根据实际传入的类型列表来选择使用哪个模板实例化。
  2. 模板递归：在处理类型列表操作时，通过模板递归实例化来遍历类型列表。在每次递归中，模板参数会更新，使得操作可以针对列表中的每个类型逐步进行。比如在Concat的递归实现中，List1中的类型会逐个被添加到结果类型列表中。