Общее определение: функции, вычисляемые во время компиляции, в том числе, позволяющие вычислять типы.

Механизм шаблонов C++ является чистым функциональным языком (с громоздким синтаксисом), выражения на котором вычисляются во время компиляции, поэтому основной метод реализации метафункций опирается на механизм шаблонов и (частичной) специализации. В C++2011 появился второй метод: на основе constexpr, здесь он не рассматривается.

Я буду выписывать «определения» в псевдокоде, напоминающем Haskell, а затем приводить аналог на C++.

Связывание имени с константой

let x = y
// x -- новое имя для значения y

// применительно к типам в C++
// C++1998
typedef y x;

// C++2011
using x = y;

Вариант 1

Пусть f принимает тип и возвращает тип.

Определение

f :: type -> type
f x = ...

template <class x> class f { ... };

Применение

f x  // или
f(x) // или
(f x)

f<x> // C++

Функции высших порядков

f :: (type -> type) -> type
f x = ...

template <template <class> x> class f { ... };

Достоинство: краткость синтаксиса применения.

Недостатки:

• нельзя сопоставить уже существующие типы (например, нельзя выразить определение f int = float);
• неудобно использовать функции высших порядков.

Вариант 2

Прообраз введён стандартной библиотекой C++, использующей зависимые имена в шаблонах (например, в std::unary_function, классах характеристик std::char_traits, std::iterator_traits, контейнерах).
Популяризован библиотеками Boost.MPL, Boost.TypeTraits (последняя вошла в стандарт C++2011).

Определение

f :: type -> type
f x = expr

template <class x> struct f
{
  typedef expr type;
};

Применение

f x // f(x)

typename f<x>::type // C++

Достоинства:

• можно привязать любой тип;
• можно задать мультифункцию (несколько зависимых имён);
• можно вычислять не только типы, но и значения (традиционно используется вложенное имя value):

factorial :: unsigned -> unsigned
factorial n = n * factorial (n - 1)
factorial 0 = 1

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

template <> struct factorial<0> { enum { value = 1u }; };

Другой классический пример такого рода: числа Фибоначчи.

• можно задавать через наследование (используется std::conditional из type_traits):

uint :: unsigned -> type
uint bits = if bits < 9  then uint8_t  else
            if bits < 17 then uint16_t else
            if bits < 33 then uint32_t else
            uint64_t ;

template <unsigned bits> struct uint
  : conditional<(bits < 9),  uint8_t,  typename
    conditional<(bits < 17), uint16_t, typename
    conditional<(bits < 33), uint32_t,
    uint64_t >::type>::type> {};

Недостатки:

• длинный синтаксис применения (причём typename требуется в контексте определения шаблона при использовании имён, зависящих от параметров шаблона, но запрещено в противном случае);
• неудобно передавать в функции высшего порядка.

Замечание
С++2011 позволяет сократить синтаксис применения с помощью template-using объявления:

template <unsigned bits> using uint_t = typename uint<bits>::type;
uint_t<19> counter; // OK

Данный подход применяется в type_traits C++2014.

Замыкания и карринг

mul a b = a * b
mul5 = mul 5
thirty = mul5 6

Карринг в C++ напрямую не поддерживается. Его можно имитировать, разделив параметры шаблона.

template <int a>
struct mul
{
  template <int b>
  struct curried { enum { value = a * b }; };
};

using mul5 = mul<5>;
const auto thirty = mul5::curried<6>::value;

Обработка списков (C++2011 variadic templates)

len :: [type] -> int
len x:xs = 1 + len xs
len [] = 0

template <class ...xs>
struct len {};

template <class x, class ...xs>
struct len<x, xs...> { enum { value = 1 + len<xs...>::value }; };

template <>
struct len<> { enum { value = 0 }; };

Использование одновременно значений и типов в качестве параметров может быть затруднено отсутствием перегрузки метафункций. Поэтому для целочисленных типов в type_traits введена обёртка integral_constant (увы, писать выражения с помощью обычных арифметических и логических операций становится невозможно). Определим factorial на её основе (вариант с «хвостовой» рекурсией).

factorial n f = factorial (n - 1) (n * f)
factorial 0 f = f

template <uint64_t n>
using Uint = integral_constant<uint64_t, n>;

using Zero = Uint<0>;
using One = Uint<1>;

template <class N, class M>
struct Sub
  : Uint<N::value - M::value> {};

template <class N, class M>
struct Mul
  : Uint<N::value * M::value> {};

template <class N, class F = One>
struct factorial
  : factorial<Sub<N, One>, Mul<F, N>> {};

template <class F>
struct factorial<Zero, F>
  : F {};

Увы, приведённый код не компилируется. Дело в том, что подстановка шаблонов выполняется немедленно, ленивые вычисления для типов не используются, поэтому компилятор не способен «дойти» до template < class F > struct factorial. Следующий вариант также не будет компилироваться:

template <class N, class F = One>
struct factorial
{
  using base = factorial<Sub<N, One>, Mul<F, N>>;
  using type = typename base::type;
  enum { value = base::value };
};

Впрочем, обойти эту проблему можно, сразу включив условие в определение:

template <class N, class F = One>
struct factorial
  : conditional<N::value != 0,
      factorial<Sub<N, One>, Mul<N, F>>,
      F>::type {};

Вариант 3

Отделение имени от параметров шаблона с помощью вложенных определений. Первый известный мне подобный пример — стандартные аллокаторы C++1998 (rebind). Также применяется в Boost.MPL.

Определение

f x = expr

struct f
{
  template <class T> struct apply { typedef expr type };
};

Применение

f x

typename f::template apply<x>::type

Достоинства:

• все из варианта 2;
• удобно передавать в функции высшего порядка (универсальность: достаточно оперировать именами метафункций, являющимися обычными типами, а не шаблонами), в частности, такую метафункцию можно передать саму себе в качестве параметра;

Недостаток: ещё более длинный синтаксис применения (для прямого применения возможно сокращение с помощью template-using, что, впрочем, не спасает при описании выражений внутри метафункций).

Перечисленные варианты могут быть скомбинированы ради удобства, однако очень легко (особенно, учитывая тяжёлый синтаксис) залезть в такие дебри, что и компилятор может зависнуть или завершиться с ошибкой при попытке это разобрать, поэтому к использованию метафункций C++ следует подходить прагматически, не бросаясь в абстракции и не пытаясь достичь степени общности более высокой, чем требуется текущей задачей.