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出版者:CreateSpace

作者:Dr Jerry Cooperstein

出品人:

页数:396

译者:

出版时间:2009-09-03

价格:USD 30.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781448672387

丛书系列:

图书标签:

• Linux
• Device Drivers
• Kernel Programming
• Embedded Systems
• C Programming
• System Programming
• Hardware
• Open Source
• Drivers
• Development

编程语言的深层结构与高效实现 书名：精通 C++ 模板元编程与泛型算法设计 简介： 本书深入剖析了现代 C++ 编程语言中最为强大且复杂的特性之一：模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）及其在设计通用、高性能算法中的应用。我们摒弃了对基础 C++ 语法的冗长介绍，直接切入那些决定程序性能边界和代码复用层级的核心概念。 第一部分：元编程的基石——类型操作与递归 本部分致力于构建读者对 TMP 机制的直观理解。我们将从最基础的类型特征（Type Traits）开始，展示如何利用模板实例化和特化来计算编译期信息。例如，如何手工实现 `std::is_same`, `std::enable_if`, 以及变长模板参数包（Variadic Templates）的展开技巧。 类型特征的实现艺术： 详细解析如何通过递归模板实现对类型列表的遍历、过滤和转换。我们将探讨 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）原则在约束模板实例化中的关键作用，并展示如何使用 `decltype` 结合函数重载来更精确地检测属性。 编译期计算的范式转移： TMP 的核心在于将运行时逻辑前置到编译期。我们不只是展示如何计算斐波那契数列，而是深入研究如何构建一个编译期版本的 AST（抽象语法树）处理框架，用于在编译阶段进行代码结构分析和优化规则的注入。这需要对 C++ 模板实例化过程有近乎底层汇编般的理解。 递归与迭代的元编程表达： 模板递归是 TMP 的核心。本书将重点讲解如何安全地控制递归深度，并介绍利用 `constexpr` 函数和变量（C++11/14/17 引入）来替代传统递归模板，从而实现更清晰、更容易调试的编译期逻辑。我们将对比两种方法的优劣，特别是它们在不同编译器优化级别下的实际性能差异。 第二部分：泛型算法的现代构造范式 在理解了类型操作的底层机制后，本书转向如何利用这些能力来构建真正通用的、可重用的算法库。这部分内容与标准库（STL）的设计哲学紧密相关，但提供了超越标准文档的深度见解。 Concepts 与约束编程（C++20 深度解析）： 随着 C++20 Concepts 的引入，TMP 的复杂性得到了极大的简化。我们将详细介绍如何定义、组合和应用 Concepts 来精确描述算法对输入类型（包括迭代器、范围、函数对象等）的要求。重点在于如何设计一套清晰、语义明确的 Concept 体系，以替代复杂的 SFINAE 组合。 迭代器与范围的抽象层级： 泛型算法的生命力在于其对不同数据结构的兼容性。本书将超越输入迭代器和随机访问迭代器的传统分类，深入探讨 C++20 Ranges 库的底层实现原理。读者将学会如何设计一个完全符合 `std::ranges` 规范的新型容器适配器或算法，并理解其背后的惰性求值（Lazy Evaluation）机制。 策略模式与类型擦除（Type Erasure）的权衡： 有时，编译期耦合是不可避免的，但过度依赖 TMP 会导致编译时间过长和代码可读性下降。本部分将探讨何时应使用类型擦除技术（如使用 `std::function` 或自定义的基于虚函数的包装器）来换取运行时的灵活性，以及如何设计一个混合模型，在编译期检查通用性，在运行时处理特定行为。 第三部分：高级主题与性能调优 本部分面向希望将泛型编程能力推向极致的资深开发者。内容涉及如何与编译器前端进行“对话”，以及如何利用模板来管理资源生命周期。 编译期内存布局与对齐： 深入研究 `alignas` 和结构化绑定（Structured Bindings）在模板中的应用。我们将展示如何利用 TMP 在编译期确定复杂结构体的内存布局，以最大限度地利用 CPU 缓存线（Cache Line），这对于高性能计算至关重要。 禁用昂贵的运行时检查： 讨论如何通过模板特化和 `if constexpr` (C++17) 来完全消除特定类型组合下的冗余运行时安全检查。例如，对于已知的整数类型，可以完全跳过边界检查，从而将这些成本转移到编译期。 工具链集成与性能度量： 模板的调试难度众所周知。本书将提供一套系统的方法来诊断和解决模板编译错误。更重要的是，我们将介绍如何利用编译器自身的分析工具（如 GCC/Clang 的 `-ftime-trace` 或特定的 AST 查看器）来可视化模板实例化过程，识别编译瓶颈，并指导读者优化元代码结构，以缩短构建时间。 目标读者： 本书假定读者已具备扎实的 C++ 基础，熟悉 RAII、STL 容器和基础算法的使用。它专为希望设计下一代高性能、高复用性 C++ 库的软件架构师、系统程序员和性能优化专家准备。阅读本书将使您从“使用”C++ 泛型编程，转变为“设计”C++ 泛型编程范式。

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