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[C++] 항목 48: 템플릿 메타프로그래밍, 하지 않겠는가?

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이 글은 아래의 책을 자세히 정리한 후, 정리한 글을 GPT에게 요약을 요청하여 작성되었습니다.
이펙티브 C++ 제3판, 스콧 마이어스 저자, 곽용재 번역

📦 7. 템플릿과 일반화 프로그래밍

👉🏻 항목 48: 템플릿 메타프로그래밍, 하지 않겠는가?

✅ 템플릿 메타프로그래밍(TMP)이란?

템플릿 메타프로그래밍(TMP): 컴파일 도중 실행되는 템플릿 기반의 프로그램을 작성하는 일

✨ TMP의 장점

1. 불가능을 가능으로

  • TMP를 사용하면, 까다롭거나 불가능한 일을 쉽게 처리할 수 있다

2. 실행 시점 이동

  • 컴파일 타임에 실행되기에, 기존 작업을 런타임에서 컴파일 타임으로 전환할 수 있다
  • 컴파일 도중에 에러를 찾을 수 있게 된다

3. 성능 향상

  • 컴파일 시간이 길어지는 대신:
    • 실행 코드가 작아진다
    • 실행 시간도 짧아진다
    • 메모리도 적게 사용한다

⚠️ 항목 47의 문제: typeid 사용

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d) {
	if(typeid(typename iterator_traits<IterT>::iterator_category)
		== typeid(random_access_iterator_tag)
	) {
		iter += d;
	} else {
		if(d >= 0) { while(d--) ++iter; }
		else { while(d++) --iter; }
	}
}

문제점:

  • 항목 47의 advance 함수이다
  • TMP를 사용하면 타입정보를 꺼내는 작업(typeid)을 런타임에 할 수 있다
  • typeid는 특성정보(traits)를 쓰는 방법보다 효율이 떨어진다:
    • 타입 점검 동작이 컴파일이 아닌 런타임에 일어난다
    • 런타임 타입 점검을 수행하는 코드는 실행 파일에 들어갈 수밖에 없다

해결:

  • 우리는 이미 항목 47에서 TMP를 사용했었다
  • iterator_traits를 함수 오버로딩에 사용함

🚨 항목 47에서 컴파일 문제가 있었던 이유

list<int>::iterator iter;
...
advance(iter, 10);

만약, 위와 같이 advance 함수를 호출한다 가정하자.

void advance(list<int>::iterator& iter, int d) {
	if(typeid(iterator_traits<list<int>::iterator>::iterator_category)
		== typeid(random_access_iterator_tag)
	) {
		iter += d; // ❌ 컴파일 에러!
	} else {
		if(d >= 0) { while(d--) ++iter; }
		else { while(d++) --iter; }
	}
}

문제:

  • advance 함수는 해당 코드와 같이 인스턴스화된다
  • iter += d 부분에서 컴파일 에러가 난다
  • list는 양방향 반복자이기 때문에 += 연산을 지원하지 않음
  • 런타임에 if문으로 분기해도, 컴파일 시점에 모든 분기의 코드가 생성되므로 에러 발생

📌 TMP의 특성

튜링 완전성:

  • TMP는 튜링 완전성을 갖는다
  • 튜링 완전성: 범용 프로그래밍 언어와 같이 어떤 것이든 계산할 수 있는 능력이 있는 것

기본 기능:

  • 변수 선언, 루프 실행, 함수 작성/호출 가능하다
  • 일반적인 if문이 아닌 템플릿 및 템플릿 특수화 버전을 사용한다
  • 반복(iteration) 의미의 루프는 없고, 재귀를 사용하여 루프의 효과를 낼 수 있다
  • TMP의 루프는 재귀식 템플릿 인스턴스화를 한다

✅ TMP 예제: 팩토리얼 계산

template<unsigned n>
struct Factorial {
	enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};

// 템플릿 특수화
// Factorial<0> = 1이다.
template<>
struct Factorial<0> {
	// 나열자 둔갑술(항목 2)
	enum { value = 1 };
};

int main() {
	// 컴파일 시간에 계산 가능
	cout << Factorial<5>::value;   // 120
	cout << Factorial<10>::value;  // 3628800
}

동작 원리:

  • Factorial 템플릿은 구조체 타입이 인스턴스화되도록 만들어져 있다
  • 재귀식 템플릿 인스턴스화를 사용하여,
    템플릿 인스턴스화 버전마다 자체적으로 value의 사본을 갖게 되는 방식이다
  • 나열자 둔갑술이 쓰이고 있다
  • 런타임이 아닌, 컴파일 시간에 계산된다

✨ TMP의 실용적 활용

1. 치수 단위(Dimensional Unit)의 정확성 확인

문제 상황:

  • 속도 변수에 질량을 대입하는 실수

해결:

  • TMP를 사용하면, 컴파일 타임에 에러를 확인할 수 있다
  • 이를 선행 에러 탐지(Early Error Detection)라고 한다
  • 분수식 지수 표현도 지원된다

예시:

// 개념적 예시
Velocity v = 100;  // m/s
Mass m = 50;       // kg

// ❌ 컴파일 타임 에러: 타입 불일치
v = m;

// ✅ 올바른 사용
Force f = m * Acceleration(2.0);  // F = ma

2. 행렬 연산의 최적화

문제 코드:

typedef SquareMatrix<double, 10000> BigMatrix;
// 행렬 생성
BigMatrix m1, m2, m3, m4, m5;
... // 각 행렬에 값 대입

// 행렬 곱 계산
BigMatrix result = m1 * m2 * m3 * m4 * m5;

문제점:

  • operator* 연산을 한번 수행할 때마다, 임시 행렬이 생성된다
  • 곱연산을 4번하니, 4개의 임시 행렬이 생성된다
  • 이거 완전 발적화다

해결: 표현식 템플릿(Expression Template)

  • TMP를 응용한 표현식 템플릿을 사용하면:
    • 임시 객체가 필요없다
    • 루프도 합칠 수 있다
    • 성능이 극적으로 향상된다

3. 맞춤식 디자인 패턴 구현의 생성

문제:

  • 디자인 패턴은 구현 방법이 여러 가지일 수 있다

해결: 정책 기반 설계(Policy-Based Design)

  • TMP를 응용한 정책 기반 설계를 사용하면:
    • 따로따로 마련된 설계상의 선택(정책)을 나타내는 템플릿을 만들 수 있다
    • 정책 템플릿은 서로 조합하여 원하는 동작의 패턴을 구현할 수 있다
    • 이것이 블록을 조립하여, 원하는 것을 만들어내는
      생성식 프로그래밍(Generative Programming)의 기초이다

예시 개념:

// 다양한 정책들
template<typename T> class ThreadingPolicy { ... };
template<typename T> class LockingPolicy { ... };
template<typename T> class StoragePolicy { ... };

// 정책들을 조합한 클래스
template<
    typename T,
    template<typename> class Threading = NoThreading,
    template<typename> class Locking = NoLocking,
    template<typename> class Storage = DefaultStorage
>
class SmartPtr : public Threading<T>,
                 public Locking<T>,
                 public Storage<T> {
    // 조합된 정책에 따라 동작
};

📊 런타임 vs 컴파일 타임 비교

특성 런타임 컴파일 타임 (TMP)
에러 검출 실행 중 컴파일 중
실행 속도 느림 (연산 수행) 빠름 (이미 계산됨)
코드 크기 작음 증가 가능
컴파일 시간 빠름 느림
유연성 높음 (동적) 낮음 (정적)

💡 TMP 사용 시 고려사항

장점:

  • ✅ 선행 에러 탐지
  • ✅ 높은 런타임 효율
  • ✅ 타입 안전성
  • ✅ 최적화된 코드 생성

단점:

  • ⚠️ 긴 컴파일 시간
  • ⚠️ 복잡한 문법
  • ⚠️ 디버깅 어려움
  • ⚠️ 코드 크기 증가 가능

🧐 정리

  1. 템플릿 메타프로그래밍은 기존 작업을 런타임에서 컴파일 타임으로 전환하는 효과를 낸다.
    따라서, TMP를 사용하면 선행 에러 탐지, 높은 런타임 효율을 얻을 수 있다.
  2. TMP는 아래와 같이 사용할 수 있다:
    • 정책 선택의 조합에 기반하여 사용자 정의 코드 생성
    • 특정 타입에 대해 부적절한 코드가 만들어지는 것을 방지
  3. TMP는 튜링 완전성을 가지며, 재귀를 통해 반복을 구현한다.
    템플릿 특수화를 통해 분기 처리가 가능하다.
  4. TMP의 주요 활용 사례:
    • 치수 단위 정확성 검증 (컴파일 타임 타입 체크)
    • 표현식 템플릿을 통한 성능 최적화
    • 정책 기반 설계를 통한 유연한 컴포넌트 조합

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