使用元编程展开嵌套循环

Question

我有许多嵌套循环 I, J, ... 在编译时已知，例如

for(int i = 0; i < I; ++i) {
    for(int j = 0; j < J; ++j) {
        // ...
        // do sth with (i,j,...)
    }
}

我需要使用大小 I、J、... 展开循环，这样我就可以在 编译时使用每个坐标组合。

为了澄清，请考虑以下结构并采用 2 个大小为 I = 2，J = 3.

的嵌套循环

template<int... I>
struct C {
     static void f() {
          // do sth
     }
};

我不能使用索引 i, j （类似于上面）来索引结构 C 因为它们在编译时间。然而，我想要生成的正是我被允许使用索引时的情况，例如

C<0,0>::f();
C<0,1>::f();
C<0,2>::f();
C<1,0>::f();
C<1,1>::f();
C<1,2>::f();

我不是特别关心调用生成的顺序，只要生成所有组合即可。生成机制应该推广到任意数量的嵌套循环。

Answer 1

您可以通过以树状方式实例化模板，跟踪当前访问的节点来做到这一点。

namespace detail{
    //This is used to store the visited nodes
    template<int...> struct int_pack;

    //Primary template
    template<typename, int... I>
    struct C;

    //This is the leaf node
    template<int... Is>
    struct C<int_pack<Is...>> {
        //The loop body goes here
        static void f() {
            std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << '\n';
        }
    };

    //This is the recursive case
    template <int I, int... Is, int... PIs>
    struct C<int_pack<PIs...>, I,Is...> {
        template <std::size_t... Idx>
        static void f_help (std::index_sequence<Idx...>) {
            //Store the current node in the pack 
            //and call `C::f` for each loop iteration
            (void)std::initializer_list<int> {
                (C<int_pack<PIs...,Idx>,Is...>::f(), 0)... 
            };   
        }

        //Use tag dispatching to generate the loop iterations
        static void f() {
            f_help(std::make_index_sequence<I>{});
        }
    };
}

//Helper alias
template<int... Is>
using C = detail::C<detail::int_pack<>, Is...>;

用法很简单：

C<2,3>::f();

在 Clang 上打印：

static void detail::C<detail::int_pack<0, 0>>::f() [I = <>]
static void detail::C<detail::int_pack<0, 1>>::f() [I = <>]
static void detail::C<detail::int_pack<0, 2>>::f() [I = <>]
static void detail::C<detail::int_pack<1, 0>>::f() [I = <>]
static void detail::C<detail::int_pack<1, 1>>::f() [I = <>]
static void detail::C<detail::int_pack<1, 2>>::f() [I = <>]

Live Demo

你可以让它更通用，这样你就可以通过 lambda 将循环体注入到 class 中，但是如果你只想这样做一次而不想这样做，上面的解决方案应该可以引入其他依赖项，例如 boost::hana。这是更通用版本的可能实现（您可以通过完美转发等改进它）：

namespace detail{
    template<int...> struct int_pack;

    template<typename, int... I>
    struct C;

    template<int... Is>
    struct C<int_pack<Is...>> {
        template <typename Func>
        static void f(const Func& func) {
            func(Is...);
        }
    };

    template <int I, int... Is, int... PIs>
    struct C<int_pack<PIs...>, I,Is...> {
        template <std::size_t... Idx, typename Func>
        static void f_help (std::index_sequence<Idx...>, const Func& func) {
            (void)std::initializer_list<int>{ (C<int_pack<PIs...,Idx>,Is...>::f(func), 0)... };   
        }

        template <typename Func>
        static void f(const Func& func) {
            f_help(std::make_index_sequence<I>{}, func);
        }
    };
}

你可以这样使用：

C<2,3>::f([](int i, int j){
    std::cout << "i " << i << " j " << j << '\n';
});

Live Demo

这是我用 boost::hana 模拟的快速版本。可能有更好的方法来做到这一点，但这应该让您了解可以做什么。

template <typename Func>
void unroll (const Func& func) {
    func();
}

template <std::size_t I1, std::size_t... Is, typename Func>
void unroll (const Func& func) {
    hana::for_each(hana::range_c<std::size_t, 0, I1>,
                   [&](auto x) {
                       unroll<Is...>([x, &func] (auto... xs) { func(x,xs...); });
                   });
}

使用元编程展开嵌套循环

Nested loops unrolling using metaprogramming

c++

metaprogramming

template-meta-programming

c++14

boost-hana