Шаблонное метапрограммирование в C++: генерация списков с произвольными полями

Я приведу псевдокод, который отразит смысл задачи.

list  Person1;

Person1.add_record( Name: "Paul" );
Person1.add_record( Age: 45 );

Список Person1 из этого примера можно реализовать с помощью структуры с полями Name и Age. Но в следующем определении мы, возможно, захотим изменить поля списка и нам понадобится новая структура. Как обойтись без явного определения структур-контейнеров и использовать одно обобщенное определение? Слово обобщенный (generic) содержит ответ — нужно привлечь к решению этой задачи шаблоны C++. Нам нужны линейные комбинации полей списков. Публичное наследование в C++ — отличный инструмент для создания линейных комбинаций! Я приведу код, добавляющий новую запись в список, а затем объясню его смысл. Имя файла — generator.hh. Здесь и далее стражи включения пропущены ради лаконичности.

#define DECLARE_RECORD( Name, Type, Value ) \
    template < typename  Parent >           \
    struct  Rec##Name : public Parent       \
    {                                       \
        Rec##Name() : Name( Value ) {}      \
        Type  Name;                         \
    };                                      \
    template <>                             \
    struct  Rec##Name< Generator::End >     \
    {                                       \
        Rec##Name() : Name( Value ) {}      \
        Type  Name;                         \
    };

namespace  Generator
{
    typedef int  End;
}

Макрос DECLARE_RECORD объявляет шаблоны структур с именем Rec##Name, которые содержат одну единственную запись, соответствующую одной из записей в формируемом списке: он реализует функцию add_record() из приведенного выше псевдокода. Структура может наследовать типу Parent — такой же структуре с другой единственной записью, либо замыкаться с помощью объявления Generator::End. Тип этого объявления может быть достаточно произвольным, я выбрал int. Формирование списка должно представлять собой создание списка типов из типов, объявленных с помощью DECLARE_RECORD. Давайте создадим простую базу персональных данных: файл persons.hh.

#include "generator.hh"

#define DECLARE_PERSON( Name, Id ) \
    Persons::Id::RecName< Persons::Id::RecAge< Generator::End > >  Name;

namespace  Persons
{
    namespace  Person1
    {
        DECLARE_RECORD( Name, const char *, "Paul" )
        DECLARE_RECORD( Age, size_t, 45 )
    }

    namespace  Person2
    {
        DECLARE_RECORD( Name, const char *, "Helen" )
        DECLARE_RECORD( Age, size_t, 38 )
    }
}

Макрос DECLARE_PERSON — это и есть механизм для формирования списка с записями имени (Name) и возраста (Age) персоналий. Список формируется нанизыванием имен структур, объявленных макросами DECLARE_RECORD ниже и заканчивается объявлением Generator::End. Для различения персоналий используются пространства имен Person1 и Person2. Заметьте, что здесь нет ни объектов времени исполнения, ни объектов времени компиляции: объявления DECLARE_RECORD разворачивают объявления шаблонов на стадии препроцессорной обработки, инстанцирование же этих шаблонов будет происходить во время применения макроса DECLARE_PERSON. Давайте напишем простой тест (файл test.cc).

#include <iostream>
#include "persons.hh"

int  main( void )
{
    DECLARE_PERSON( rec1, Person1 )
    std::cout << "1. Name: " << rec1.Name << ", Age: " << rec1.Age << std::endl;

    DECLARE_PERSON( rec2, Person2 )
    std::cout << "2. Name: " << rec2.Name << ", Age: " << rec2.Age << std::endl;
}

После компиляции запустим программу на исполнение.

g++ -o test test.cc
./test
1. Name: Paul, Age: 45
2. Name: Helen, Age: 38

Работает. А теперь создадим базу данных книг в файле books.hh. В каждой записи будет три поля: название (Name), автор (Author) и год выпуска (Year).

#include "generator.hh"

#define DECLARE_BOOK( Name, Id ) \
    Books::Id::RecName< Books::Id::RecAuthor< \
                                Books::Id::RecYear< Generator::End > > >  Name;

namespace  Books
{
    namespace  Book1
    {
        DECLARE_RECORD( Name, const char *, "War and Peace" )
        DECLARE_RECORD( Author, const char *, "Lev Tolstoy" )
        DECLARE_RECORD( Year, int, 1873 )
    }
}

Макрос DECLARE_BOOK выполняет ту же роль, что и DECLARE_PERSON при создании списка персональных данных, то есть создает список данных одной книги путем нанизывания типов, объявленных ниже с помощью макросов DECLARE_RECORD, в список типов, замыкаемый объявлением Generator::End. Добавим нашу новую книгу в тестовую программу. Для этого в файле test.cc нужно включить файл books.hh

#include "books.hh"

и в конце функции main() поместить строки

    DECLARE_BOOK( rec3, Book1 )
    std::cout << "3. Name: " << rec3.Name << ", Author: " << rec3.Author <<
                 ", Year: " << rec3.Year << std::endl;

Компилируем и запускаем на исполнение.

g++ -o test test.cc
./test
1. Name: Paul, Age: 45
2. Name: Helen, Age: 38
3. Name: War and Peace, Author: Lev Tolstoy, Year: 1873