【慎入】造轮黑科技：C++中的traits和SFINAE，了解一下？

不死鸟之翼

为了方便未登录用户阅读，同样的文章已经放到这里 https://azurefx.name/article/cpp-traits-and-sfinae/

大扎好，我系喵^3，今天为大家介绍一下【今天】的C++造轮子时与编译器玩耍用到的两个小技巧。）咳
C++是静态类型的语言，所有对象的类型要在编译期决定。这给造轮子带来了一些麻烦，比如，在编写泛型方法的时候有时需要判断目标类型是否支持对应的操作。
但是，C++这语言有些问题：缺少Metaclass，语言自省能力不足，再加上编译期必须推导出所有变量的类型，导致这种“判断”不好实现。（C++的所有高级抽象原则都是在尽量不造成太大开销的情况下实现的，这也是为什么C++这么快的原因之一）
不过由于C++的模板推导能力很强大，还是可以使用一些很hack的方式实现这类要求的。
标准库提供了大量的helper设施来判断某个类型的“特性”，比如是否可平凡析构、是否是数值类型，等等。
这里我没有用到它们，而是尝试自己推导了一组，虽然实现未必漂亮但过编译还是没问题的……233

首先我们定义两个类型，Foo和Bar。状元和喵喵喵友情出演

【EDIT：应某不愿透露姓名的我以为是兰兰的人要求，以下的状元请自行脑补成lanza，雾】


Foo有两个double类型的成员taroxd和kuerlulu，而Bar只有一个taroxd，还是int类型的。



然后写一个函数fun，并分别用Foo和Bar类型对象作为参数调用它，经过一些蜜汁操作之后，我们可以区分fun中的抽象类型Ty是不是Foo类型，以及它有没有kuerlulu这个值（通过给Foo打了一个has_kuerlulu实现的，其实可以修改一下，直接去判断它有没有这个成员）
运行输出如下

---

看懂了嘛？懂了可以Ctrl+W了，不懂的话不着急，冷静分析.webp
为了实现fun的效果，我们需要在编译的时候计算出Ty的具体类型、以及它有没有kuerlulu这个成员，并调用正确的重载函数。如果不这么做，对于Bar这个类型，是不存在Bar::kuerlulu的，因此fun过不了编译。
因为一切的判断都是静态的，是充分利用编译器类型推导的结果，所以思维方式要转变一下，这里的“C++”其实并不是跑起来的C++，更像是一个函数式语言…
（顺便一提，利用模板类型推导可以进行计算，并且被证明是图灵完全的，感兴趣的可以写个编译期阶乘之类的~小心不要把编译器给爆栈了哦）

首先做两个辅助类型

其实就是两个空的结构体，里面的using是在结构体内部的可见域里定义类型的别名（例如using uint = unsigned int;），并不是成员啦。
还有一个括号运算符重载，用来获得对应的布尔值true/false
注意到static_false里没有is_true，static_true里没有is_false，具体有什么用后面再说。



然后做一个is_foo类型来判断。这里利用了C++的模板特化。
假设有一个模板结构类型is_foo<T>，然后我们特化了一个版本叫is_foo<Foo>，那么编译器在模板实例化时会选择“更完美匹配”的版本，这里的效果就是其他类型会匹配到第一个，Foo类型会匹配到第二个。
自然，如果用int实例化，is_foo<int>里面的value就定义为static_false类型了，所以在编译期【is_foo<int>::value】这个类型就是static_false
大概就是这种思路，我们用类型定义来代替运行期的“变量”的概念

现在已经搞定了fun前半部分的is_foo操作了。由于is_foo<int>::value是一个类型，is_foo<int>::value()就是默认构造了一个is_foo<int>::value类型的对象的意思，is_foo<int>::value()()就是调用了这个对象的operator()，返回一个bool值。根据这个进行if选择就好了。
我们在写泛型轮子的时候，就可以利用这类手段去针对特定类型执行对应操作。


那教练…有没有更给力的？


我们永远不会知道我们的用户会塞进来什么样的类型呀，指明类型的名字显然不是一个好主意。更好的做法是判断一个类型是否具有某种“特性”，这就是traits，可以理解为特性萃取。
事实上标准库已经这么做了。比如算法库会根据你传进来的迭代器类型，查询iterator_traits里的信息，比如你这迭代器是否支持随机访问，迭代器解引用之后的类型是什么…然后选择效率最高的算法实现。没错，都是编译期决定的。


所以我们也来写一个吧。


foo_traits_base类型是用来保存某个信息对应的两个traits默认值的。value_type定义为Ty类型里的tag_value_type的别名，而has_kuerlulu定义为static_false类型的别名。
普通版的foo_traits<Ty>直接继承了base，而Foo这个类型可以定义自己的foo_traits<Foo>特化（通常这个定义和你的Foo类是一块提供的，我是为了更清楚的叙述逻辑才放到这里的）
还是和is_foo类似的思路，foo_traits<Bar>::has_kuerlulu就是static_false类型的别名。只有Foo这个类型的has_kuerlulu是static_true的别名。这就相当于你提供一个类型Ty，然后foo_traits这个类型就可以把Ty的一些“特性”提取出来。
而value_type我们希望它表示Ty里面的成员的类型（Foo是double而Bar是int），它是从这两个结构定义里的tag_value_type获得的。可以翻上去看看

接下来就是上面这堆东西的真正用法了。

这两个版本的get_kuerlulu_if是在fun里面调用的函数重载候选。我们需要根据给fun的Ty类型里有没有kuerlulu来决定调用哪个版本。所谓的SFINAE就是“替换失败不是错误”，意思是编译器用实际类型X在匹配重载的模板候选P时，如果将模板参数Ty替换为X时会导致病式（ill-formed），那么不会产生编译错误，而是将候选P从重载候选中移除。我们就利用这个规则，让编译器在没有kuerlulu时拒绝候选2，从而接受候选1，什么都不做；当Ty拥有kuerlulu时，拒绝候选1而接受候选2。

利用SFINAE有很多种形式，比如在函数参数里加一个类型，让它在特定条件下为病式，但是这样就多了一个参数，看起来很不好（编译器会不会把它优化掉另说…）
所以这里我们选择从返回值做文章。这两个版本的返回值都是void。
Sb在实例化的时候我们放上了foo_traits<Ty>::has_kuerlulu。再强调一遍，它是个类型别名，可能是static_false<>或者static_true<> （我把它们写成了模板，默认参数其实有一个Ty=void）
为了帮助理解，我们分类讨论。
假设Sb的类型是static_false<void>：
那么根据定义，对第一个版本，static_false<void>::is_false就是void的别名，函数返回值就被替换为void，完美。
对第二个版本，由于static_false<void>中不存在is_true这个定义，因此为病式，这个版本被拒绝。
假设Sb的类型是static_true<void>，类似地，第一个版本被拒绝，第二个版本匹配上了。


到此为止，就有了fun中的那套神奇操作。

---

我的看法：
有效吗？有效。
为什么写法这么丑，就像做数学证明题？因为这套操作并不是语言有意设计的，纯属这个语言的类型推导过于牛逼。
有更好的写法吗？比如给C++增加更多的语言特性，编译期反射啊元类啊Concepts啊…这个就要等待语言的发展了，目前C++是一个过于复杂的语言，拥有巨量的语言特性（和坑），导致这个语言极难掌握、极难精通。←“精通C++”已经成为一个梗了，类似“PHP是最好的语言”一样的存在。作为萌新的我自己连“熟练”都不敢说呢…听说有人想21天？）雾
所以再增加新特性的话必须慎之又慎（不考虑兼容性的话甚至还要砍吧），期待那群语言律师在C++20（如果不鸽的话）能拿出更棒的设计来，让这个语言写起来更靠谱、更友好。

你的看法？
大佬们表表态吧，轻喷。本文纯属瞎编，因被本文带入奇技淫巧不归路的概不负责…

对了，忘了代码。
[pre lang="CPP" line="1"]struct Foo {
        using tag_value_type = double;
        double taroxd;
        double kuerlulu;
};
struct Bar {
        using tag_value_type = int;
        int taroxd;
};
//////////
template<typename Ty = void>
struct static_false {
        using is_false = Ty;
        constexpr bool operator()() {
                return false;
        }
};
template<typename Ty = void>
struct static_true {
        using is_true = Ty;
        constexpr bool operator()() {
                return true;
        }
};
//////////
template<typename>
struct is_foo {
        using value = static_false<>;
};

template<>
struct is_foo<Foo> {
        using value = static_true<>;
};
//////////
template<typename Ty>
struct foo_traits_base {
        using value_type = typename Ty::tag_value_type;
        using has_kuerlulu = static_false<>;
};

template<typename Ty>
struct foo_traits:public foo_traits_base<Ty> {
};

template<>
struct foo_traits<Foo>:foo_traits_base<Foo> {
        using has_kuerlulu = static_true<>;
};
//////////
template<typename Sb, typename Ty>
typename Sb::is_false get_kuerlulu_if(Ty& obj) {
}

template<typename Sb, typename Ty>
typename Sb::is_true get_kuerlulu_if(Ty& obj) {
        cout << "We also have kuerlulu=" << obj.kuerlulu << "!" << endl;
}

template<typename Ty>
void fun(Ty obj) {
        if (is_foo<Ty>::value()()) {
                cout << "Foo!" << endl;
        }
        else {
                cout << "Not foo!" << endl;
        }
        foo_traits<Ty>::value_type v = obj.taroxd;
        cout << v << endl;
        get_kuerlulu_if<foo_traits<Ty>::has_kuerlulu>(obj);
}
//////////
int main() {
        Foo f = { 1.1,2.2 };
        Bar b = { 3 };
        fun(f);
        fun(b);
}[/pre]

chd114

有一种花时间证明地球是圆的一样的感觉···

⑨姐姐

嗯感觉实现还是挺直接的……大概就是很多逻辑都在编译期完成了。
之前还见过玩递归的（怕写错于是stackoverflow上找了一个：）

1. 
   
2. template<class none = void>
   
3. constexpr int f()
   
4. {
   
5.     return 0;
   
6. }
   
7. template<int First, int... Rest>
   
8. constexpr int f()
   
9. {
   
10.     return First + f<Rest...>();
    
11. }
    
12. int main()
    
13. {
    
14.     f<1, 2, 3>();
    
15.     return 0;
    
16. }
    

复制代码

实际写的时候还是习惯根据需求给相应的类加上bool isXXX()……

不死鸟之翼

⑨姐姐 发表于 2018-3-30 08:51
嗯感觉实现还是挺直接的……大概就是很多逻辑都在编译期完成了。
之前还见过玩递归的（怕写错于是stackover ...

倒不太一样…这个是C++14的特性，叫Variadic templates 不过打包模板参数也确实是编译期展开的
一般我用这个做类型安全的printf 大概是这样（用Win32API写屏的）

重载了operator<<(ostream&)的类型都能写进去 比如各种矩阵类）好像暴露了什么

[pre lang="cpp"]template<typename T>
void print(const T& arg) {
        wstringstream ss;
        ss << arg;
        HANDLE hStdOut = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
        DWORD charsWritten;
        wstring str = ss.str();
        WriteConsoleW(hStdOut, str.c_str(), str.size(), &charsWritten, NULL);
}

template<typename T1, typename T2, typename... Ts>
void print(const T1& arg1, const T2& arg2, Ts... rest) {
        wstringstream ss;
        ss << arg1 << arg2;
        print(ss.str(), rest...);
}

int main() {
        print(L"这是", 1, L"个类型安全的", L"printf\n");
}[/pre]

---

正经的TMP算斐波那契数列的话大概是这样

[pre lang="cpp"]template<int N>
struct Fibonacci {
        enum { value = Fibonacci<N - 2>::value + Fibonacci<N - 1>::value };
};

template<>
struct Fibonacci<1> {
        enum { value = 1 };
};

template<>
struct Fibonacci<2> {
        enum { value = 1 };
};

int main() {
        cout << Fibonacci<5>::value << endl;
}[/pre]

给两个特化就行了）没有constexpr的时代就是这么简单暴力

M.Winderic.

cpp......嗯，反正咱比较懒，坐等标准更新……

熊的选民

为什么又是反人类的foo啊bar啊的，搞点简单易懂的dog、cat不是更好吗？

IamI

熊的选民 发表于 2018-4-4 11:45
为什么又是反人类的foo啊bar啊的，搞点简单易懂的dog、cat不是更好吗？

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