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C++模板元编程----选择排序

2020-12-12 16:21 441 查看

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  • 排序
  • 总结
  • 前言

    模板在C++一直是比较神秘的存在。

    STL
    Boost
    中都有大量运用模板,但是对于普通的程序员来说,模板仅限于使用。在一般的编程中,很少会有需要自己定义模板的情况。但是作为一个有理想的程序员,模板是一个绕不过去的坎。由于C++标准的不断改进,模板的能力越来越强,使用范围也越来越广。

    在C++11中,模板增加了

    constexpr
    ,可变模板参数,回返类型后置的函数声明扩展了模板的能力;增加了外部模板加快了模板的编译速度;模板参数的缺省值,角括号和模板别名使模板的定义和使用变得更加的简洁。

    C++14中,放宽了

    constexpr
    的限制,增加了变量模板。

    C++17中,简化模板的构造函数,使模板更加易用;Folding使得模板在定义中更加方便。

    C++20是一个大版本更新,对于模板来说,也有很大的进步。对于个人来说,最喜欢的应该就是

    concept
    了,它让模板可以判断模板参数是不是符合要求,同时也对模板的特化提供了更进一部的支持(以后再也不用看着模板成吨的报错流泪了。);同时它还要求大部分的STL库都支持
    constexpr
    ,使得很多类可以在编译期直接使用(以后模板元编程就不是单纯的函数式语言了吧,感觉以后C++的编程会变得非常奇怪)。

    而随着模板一步步的完善,大佬们发现模板的功能居然已经实现了图灵完备,于是各种骚操作层出不穷,比如俄罗斯方块Super Template Tetris

    作为一个小老弟,当然是还没有能力写出一个可以媲美俄罗斯方块的程序,不过写一些简单的排序还是可以的。

    这里我分享的是一个选择排序算法。为什么选择选择排序呢?因为它排序的时候,他对于元素的位置改变是比较少的。个人感觉函数元编程最复杂的就是对元素进行修改位置了吧。

    代码详解

    数据的结构

    template<int ...data>
    struct mvector;
    template<int
    ad8
    first, int ...data>
    struct mvector<first, data...> {
    static constexpr int size = sizeof...(data) + 1;
    static constexpr int value = first;
    typedef mvector<data...> next_type;
    constexpr static std::array<int, sizeof...(data) + 1> array = {first, data...};
    };
    
    template<int first>
    struct mvector<first> {
    static constexpr int size = 1;
    static constexpr int value = first;
    typedef mvector<> next_type;
    constexpr static int array[] = {first};
    };
    
    template<>
    struct mvector<> {
    static constexpr int size = 0;
    static constexpr int value = -1;
    typedef mvector<> next_type;
    constexpr static int array[] = {};
    };

    这里我们定义了一个

    mvcetor
    模板,他的作用就是用来保存数据的。模板的原型是

    template<int ...data>
    struct mvector;

    他可以输入任意数量的整数(模板参数可以看作是输入)。

    根据后面的特化,模板一共有四个属性或类型(这些可以看作是模板的输出),分别是

    size
    value
    (第一个元素的值,方便后面的迭代),
    next_type
    (除去头的尾部,方便迭代),
    array
    mvector
    的数组表现形式)。

    数据的操作

    分割向量

    // 分割向量
    template<int index, typename T, typename S>
    struct SplitVector;
    
    template<int index, int ...LeftData, int ...RightData>
    struct SplitVector<index, mvector<LeftData...>, mvector<RightData...>> {
    typedef SplitVector<index - 1, mvector<LeftData..., mvector<RightData...>::value>, typename mvector<RightData...>::next_type> next_split;
    typedef typename next_split::LeftVector LeftVector;
    typedef typename next_split::RightVector RightVector;
    };
    
    template<int ...LeftData, int ...RightData>
    struct SplitVector<0, mvector<LeftData...>, mvector<RightData...>> {
    typedef mvector<LeftData...> LeftVector;
    typedef typename mvector<RightData...>::next_type RightVector;
    };

    这个模板的主要目的是将向量从某一部分分离出来(取最大值)。

    模板的输入有三个:

    index
    (要分离的元素的位置在
    RightData
    的位置),
    LeftData
    (分离的左边),
    RightData
    (分离的右边)。

    输出有

    LeftVector
    (出来的左边),
    RightVector
    (出来的右边)。

    合并向量

    // 合并向量
    template<typename T, typename S>
    struct MergeVector;
    
    template<int ...dataa, int ...datab>
    struct MergeVector<mvector<dataa...>, mvector<datab...>> {
    typedef mvector<dataa..., datab...> result_type;
    };

    将两个向量合并,主要是用在分割后的向量。

    寻找最大值

    template<int now_index, typename U, typename V>
    struct FindMax;
    
    template<int now_index, int ...Looped, int ...unLooped>
    struct FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<unLooped...>> {
    typedef FindMax<now_index + 1, mvector<Looped..., mvector<unLooped...>::value>, typename mvector<unLooped...>::next_type> next_max;
    constexpr static int max = mvector<unLooped...>::value > next_max::max ? mvector<unLooped...>::value : next_max::max;
    constexpr static int max_index = mvector<unLooped...>::value > next_max::max ? now_index : next_max::max_index;
    };
    
    template<int now_index, int ...Looped>
    struct FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<>> {
    typedef FindMax<now_index, mvector<Looped...>, mvector<>> next_max;
    constexpr static int max = -1;
    constexpr static int max_index = now_index;
    };

    寻找向量中的最大值。输入有

    now_index
    Looped
    (已经比较的部分),
    unLooped
    (未比较的部分)。其中
    now_index
    是多余的,可以使用
    sizeof...(Looped)
    来代替。

    输出是

    max
    (最大值),
    max_index
    (最大值的位置,方便后面的分割)

    排序

    对数据操作完成了,这个程序也就完成了一大半了,排序也是非常的简单,从未排序的列表中,选择最大的值,放到已经排序好的列表的前面就好了。

    // 排序
    template<typename T, typename S>
    struct SelectSortWork;
    
    template<int ...unSorted, int ...Sorted>
    struct SelectSortWork<mvector<unSorted...>, mvector<Sorted...>> {
    typedef FindMax<0, mvector<>, mvector<unSorted...>> max_find_type;
    constexpr static int max = max_find_type::max;
    constexpr static int max_index = max_find_type::max_index;
    typedef SplitVector<max_index, mvector<>, mvector<unSorted...>> split_type;
    typedef SelectSortWork<typename MergeVector<typename split_type::LeftVector, typename split_type::RightVector>::result_type, mvector<max, Sorted...>> next_select_sort_work_type;
    typedef typename next_select_s
    103c
    ort_work_type::sorted_type sorted_type;
    };
    
    template<int ...Sorted>
    struct SelectSortWork<mvector<>, mvector<Sorted...>> {
    typedef mvector<Sorted...> sorted_type;
    };

    总结

    代码我放在了github的gist上,select_sort.cpp

    总的来说,代码还是非常的简单的,只要合理的进行分解,大部分的算法应该都是可以实现的。

    在编程的过程中,我也有一些自己的领悟,对于模板元编程的几点小Tips,在这里给大家介绍一下吧。

    1. 如果熟悉函数式编程的话,再来学习模板元编程,对于其中的理解会更加的深刻,所以最好在开始准备学习之前,先学习一下函数式编程会比较好(虽然这个过程会非常的痛苦)。
    2. 类模板可以看作是一个函数,有输入输出。输入是模板的参数,输出是模板里面的类型或者变量,这些输出也可以作为函数计算的中间变量,方便编码。
    3. 模板元编程,一定要有耐心,特别是debug,会特别的难受

    博客原文:https://www.cnblogs.com/ink19/p/cpp_template_select_sort.html

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