本文描述了模板元编程技术的起源、概念和机制，并介绍了模板元编程技术在Blitz++和Loki程序库中的应用。
导言
1994年，C++标准委员会在圣迭哥举行的一次会议期间Erwin Unruh展示了一段可以产生质数的代码。这段代码的特别之处在于质数产生于编译期而非运行期，在编译器产生的一系列错误信息中间夹杂着从2到某个设定值之间的所有质数：
// Prime number computation by Erwin Unruh
template <int i> struct D { D(void*); operator int(); };
template <int p, int i> struct is_prime {
enum { prim = (p%i) && is_prime<(i > 2 ? p : 0), i -1> :: prim };
};
template < int i > struct Prime_print {
Prime_print<i-1> a;
enum { prim = is_prime<i, i-1>::prim };
void f() { D<i> d = prim; }
};
struct is_prime<0,0> { enum {prim=1}; };
struct is_prime<0,1> { enum {prim=1}; };
struct Prime_print<2> { enum {prim = 1}; void f() { D<2> d = prim; } };
#ifndef LAST
#define LAST 10
#endif
main () {
Prime_print<LAST> a;
}
类模板D只有一个参数为void*的构造器，而只有0才能被合法转换为void*。1994年，Erwin Unruh采用Metaware 编译器编译出错信息如下（以及其它一些信息，简短起见，它们被删除了）：
| Type `enum{}′ can′t be converted to txpe `D<2>′ (\"primes.cpp\",L2/C25).
| Type `enum{}′ can′t be converted to txpe `D<3>′ (\"primes.cpp\",L2/C25).
| Type `enum{}′ can′t be converted to txpe `D<5>′ (\"primes.cpp\",L2/C25).
| Type `enum{}′ can′t be converted to txpe `D<7>′ (\"primes.cpp\",L2/C25).
如今，上面的代码已经不再是合法的C++程序了。以下是Erwin Unruh亲手给出的修订版，可以在今天符合标准的C++编译器上进行编译：
// Prime number computation by Erwin Unruh
template <int i> struct D { D(void*); operator int(); };
template <int p, int i> struct is_prime {
enum { prim = (p==2) || (p%i) && is_prime<(i>2?p:0), i-1> :: prim };
};
template <int i> struct Prime_print {
Prime_print<i-1> a;
enum { prim = is_prime<i, i-1>::prim };
void f() { D<i> d = prim ? 1 : 0; a.f();}
};
template<> struct is_prime<0,0> { enum {prim=1}; };
template<> struct is_prime<0,1> { enum {prim=1}; };
template<> struct Prime_print<1> {
enum {prim=0};
void f() { D<1> d = prim ? 1 : 0; }; [Page]
};
#ifndef LAST
#define LAST 18
#endif
main() {
Prime_print<LAST> a;
a.f();
}
在GNU C++ (MinGW Special) 3.2中编译这段程序时，编译器将会给出如下出错信息（以及其它一些信息，简短起见，它们被删除了）：
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 17]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 13]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 11]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 7]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 5]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 3]\'
Unruh.cpp:12: initializing argument 1 of `D<i>::D(void*) [with int i = 2]\'
这个例子展示了可以利用模板实例化机制于编译期执行一些计算。这种通过模板实例化而执行的编译期计算技术即被称为模板元编程。
一个可以运行的模板元编程例子
模板元编程（Template Metaprogramming）更准确的含义应该是“编‘可以编程序的’程序”，而模板元程序（Template Metaprogram）则是“‘可以编程序的’程序”。也就是说，我们给出代码的产生规则，编译器在编译期解释这些规则并生成新代码来实现我们预期的功能。
Erwin Unruh的那段经典代码并没有执行，它只是以编译出错信息的方式输出中间计算结果。让我们来看一个可以运行的模板元编程例子 — 计算给定整数的指定次方：
// xy.h
//原始摸板
template<int Base, int Exponent>
class XY
{
public:
enum { result_ = Base * XY<Base, Exponent-1>::result_ };
};
//用于终结递归的局部特化版
template<int Base>
class XY<Base, 0>
{
public:
enum { result_ = 1 };
};
模板元编程技术之根本在于递归模板实例化。第一个模板实现了一般情况下的递归规则。当用一对整数<X, Y>来实例化模板时，模板XY<X, Y>需要计算其result_的值，将同一模板中针对<X, Y-1>实例化所得结果乘以X即可。第二个模板是一个局部特化版本，用于终结递归。