템플릿 메타프로그래밍

Template Metaprogramming. 템플릿을 이용해 메타 프로그래밍을 하는 것을 뜻한다. 쉽게 말하면, 언어에서 제공해주는 기능인 템플릿(틀)을 이용해, 프로그램을 작성하는 부분을 프로그래밍하는 하는 것인데, 템플릿 기능이 있는 가장 대표적인 언어가 C++라 C++에 관련된 토픽으로 분류되는 경우가 많다.

보통 말하는 C++에서의 템플릿 메타 프로그래밍이란, 템플릿을 이용하여 컴파일 타임에 코드를 생성하는 것을 말한다. 보통 함수형 프로그래밍 방식으로 개발하며, 일반화 프로그래밍이 가능하다는 장점이 있다.

예제

int Fibo(int n)// 재귀 함수
{
    if(n <= 1) return 1;
    return Fibo(n-1) + Fibo(n-2);
}

// 템플릿 메타 프로그래밍
template <int N>
struct Fibo
{
    enum{
        value = Fibo<N-1>::value + Fibo<N-2>::value
    }
}

template <>
struct Fibo<0>
{
    enum{
        value = 1
    }
}

template <>
struct Fibo<1>
{
    enum{
        value = 1
    }
}

재귀항수를 이용한 방법은 런타임에 콜스택을 늘려가며 계산해야 하지만, 템플릿 메타 프로그래밍을 이용한 방법은, N값이 컴파일타임에 결정된다면 컴파일타임에 Fibo<N>이 계산된다.

방법

주로 재귀적 성질을 이용한 함수형 프로그래밍을 사용한다. 템플릿의 비 타입 인자에는 컴파일 타임에 값을 알 수 있는 값만 넣을 수 있다. 주의할 점 중 하나는, 상수 포인터는 비타입 인자가 될 수 있지만 const char*는 예외적인 경우가 있다. 비타입 인자가 const char*형일 때, 같은 문자열을 넣어도 주소값이 다를 수 있기 때문에, extern 키워드를 사용하거나 일종의 꼼수를 써야 한다.

위의 예제와 같이, 좀 더 일반적인 템플릿 인자(위에서는 template <int N> ~~)를 가진 형태와 경계 조건일 때의 인자(template<>~~)를 가진 형태로 나누어서 프로그래밍하게 되는데, 위쪽에 일반적인 형태를 선언한다.

원리

템플릿의 확장은 컴파일 타임에 이루어진다. 컴파일러 최적화가 더디던 시절에는, 컴파일을 하는 도중 템플릿을 만나면 현재까지 알고 있는 심볼 등을 확인하면서 알 수 있는 내용을 가지고 익명 함수 등을 만들며 원시 C++ 코드를 작성해나갔다. 이런 과정이 끝나고 템플릿이 모두 전개되었다면 그때부터 원래 코드를 컴파일하기 시작했다. 지금은 이 과정에서 최적화 등을 사용하는 경우가 많은 편.

장점

• 원래 언어에 있는 기능이다. 메타 프로그래밍이 보통 스크립트 언어 등으로 다른 언어를 붙여서 써야하는 경우가 많은데 반해서, C++ 언어에 원래 정의된 것을 가지고 구현하기 때문에, C++ 규격의 변화에만 대응하면 된다.
• 런타임의 시간 복잡도를 줄일 수 있다. 컴파일 타임에 모든 것이 이루어지기 때문에 런타임 복잡도가 줄어들어 실행시간 등이 감소할 여지가 많다.
• 무결성. 소스 코드의 재활용 등으로 복붙 등의 과정을 줄일 수 있어 무결성 및 관리성이 높아진다.

단점

• 템플릿을 떡칠하면 알아보기 힘들다. 일반적으로 인간의 두뇌는 이러한 확장 과정에 익숙하지 않은 편이다. 특히 디버그하는 과정에서 템플릿을 떡칠하다보면 환장하는 경우가 꼭 한 번씩은 있을 것이다.
• 컴파일 복잡도가 늘어난다. 이게 문제가 되는 건 소규모 프로그램보다는 주로 대형 프로젝트 쪽. 그잖아도 컴파일에 수 시간 걸리는 프로젝트에 템플릿 메타프로그래밍을 쓴다면?
• 프로그램이 커진다. 지금이야 용량이 문제가 되는 시대가 아니긴 하지만, 컴파일 시간에 코드를 확장하면서 길이가 늘어나기 때문에 프로그램이 쉽게 커질 수 있다. 다행히 용량에 민감한 임베디드 쪽은 C++을 많이 쓰지 않는다고는 하지만. 또한 길이가 길어지면서 자연스럽게 프로그램 로딩 속도도 길어진다는 점도 나름의 문제점이다.

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