通过索引对类模板成员的编译时访问

Posted 2023-02-21

【中文标题】通过索引对类模板成员的编译时访问

【英文标题】：Compile-time access to class template's member by index

【发布时间】：2013-12-21 22:59:51

【问题描述】：

给定一个模板，其非类型参数决定了非常量 int 数组成员的大小，我如何在编译时通过整数索引访问数组元素？我希望通过类模板的 getter 方法 at 进行访问。

我想既然类模板必须在运行前实例化，我可以将另一个非类型类模板的enum 成员值传递给前一个类的at 方法，以确保index 参数是编译时常量。

我未定义类模板deliberate_error，以查看其参数是否在编译时计算并查看错误消息中的编译时结果。

template <unsigned int N>
struct compile_time_int 
    enum num = N;
;

template <unsigned int N>
struct array_wrapper 

    int arr[N];

    template <unsigned int Ind>
    constexpr int const& at(compile_time_int<Ind> const& index) const 
        return arr[index.num];
    
;

template <unsigned int> struct deliberate_error;

int main() 
    compile_time_int<2> cti;
    array_wrapper<3> aw;
    aw.at(cti);
    deliberate_error<cti.num> my_error1;
    deliberate_error<aw.at(cti)> my_error2;

aw.at(cti); 没有报错，所以我想如果我将相同的表达式传递给deliberate_error 实例my_error2，编译器会在错误消息中显示arr[2] 的值。

my_error1 导致 g++ error: aggregate 'deliberate_error<2u> my_error1' has incomplete type and cannot be defined，

显示cti 的包装整数值2。所以，我想如果我将相同的cti 传递给对象aw 的getter，然后将结果传递给my_error2，我可以在错误消息中得到arr[2]。但相反，它会打印：

error: the value of 'aw' is not usable in a constant expression
note: 'aw' was not declared 'constexpr'
note: in template argument for type 'unsigned int'
error: invalid type in declaration before ';'

所以，我尝试在 aw 的声明之前添加 constexpr，但这会产生更多不受欢迎的错误。这里出了什么问题，我该如何解决？

【问题讨论】：

“所以，我尝试在 aw 的声明之前添加 constexpr，但这会产生更多不希望的错误。” 这听起来是正确的做法，另请参阅 remyabel 的回答。你得到什么错误？ （注意：你需要初始化cti，即使它只是使用，你需要做同样的事情，constexpr + 初始化器，用于aw。）

compile_time_int<N> 似乎是对 std::integral_constant<int,N> 的改造

@remyabel 我认为你在正确的轨道上，aw 和 cti 都需要用 constexpr 声明并初始化。

@DyP，这些是错误：coliru.stacked-crooked.com/a/b314af2d534f7390

【参考方案1】：

（请注意，据我所知，std::array 和 std::get 已经解决了您的问题。）

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主要问题是您需要将您的实例 aw 设为 constexpr，当然您需要使用一些值对其进行初始化：

constexpr array_wrapper<3> aw =  1, 2, 3 ;

关于函数at，你可以把它写成一个普通函数，但只需将它指定为constexpr：

constexpr int const& at(int i) const 
    return arr[i];

那么，aw.at(0) 可以用作常量表达式：Live Demo

这样做的好处是您可以在编译时和运行时表达式中使用此函数，分别具有静态和动态索引。

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如果你真的希望它被模板化，你可以把它写成像std::get<N>这样的非成员或类成员，但使用int类型的模板参数（或size_t或类似） .这简化了它的定义（并且你可以摆脱你的 compile_time_int 类模板）：

template<int Index>
constexpr int const& at() const 
    return arr[Index];

那么，aw.at<0>() 可以用作常量表达式：Live Demo

第二种方法的好处是保证了索引是静态的，所以我们可以在函数中使用它进行静态边界检查，不会增加任何性能损失。不知道第一个版本是否可行。

【讨论】：

对于 POD 类型，编译器实现了一个 c'tor，按照 AFAIK 的顺序获取成员。所以在这种情况下是int[3]。而 1, 2, 3 可以用作int[3] 的初始化器。这可能只适用于 C++11。 -- 必须初始化它的原因是如果添加 constexpr，编译器需要在编译时知道该值。对于 POD 类型，这意味着您必须使用成员对其进行初始化，如上所述。如果您编写了自己的默认 c'tor（没有 args），那么您可以编写 constexpr array_wrapper<3> aw; 但这个 c'tor 也必须是 constexpr。

话虽如此，除了 constexpr，如果你根本不初始化 POD 类型，它们就有未初始化的内容。您可以稍后为其分配值，因此内容定义明确。但是constexpr 必须立即初始化；编译器不会分析您的程序以查看它是否稍后会被分配。请记住： constexpr 在编译时进行评估；当使用 C++11 将此功能添加到 C++ 时，控制流被有意设计得非常有限。

std:array 是不够的，因为它的 operator[] 在 C++11 中不需要是 constexpr，仅在 C++14 中。

@Casey 使用std::get 它可以工作，但是模板语法而不是（在我看来）更好的函数参数语法。

@CodeBricks 垃圾内容取决于运行时的内存内容。所以它在编译时是未知的，所以 C++ constexpr 特性需要初始化。其他一切都没有任何意义。为什么要让编译过程依赖垃圾？

【参考方案2】：

也许就是这样：

template <unsigned int N>
struct array_wrapper

    int arr[N];
;

template <unsigned int I, unsigned int N>
constexpr int & at(array_wrapper<N> & a)

    static_assert(I < N, "static array index out of bounds");
    return a.arr[I];


// add a "const" overload, too

用法：

array_wrapper<10> x;
at<3>(x) = 42;

【讨论】：

现在看起来很像 std::array 与 std::get 的组合。我认为您可以将 at 设为 constexpr 函数。

@DyP：好点。是的，我的观点是试图强调部分 OP 的大量车轮改造......

@KerrekSB，+1。谢谢。您的回答很优雅，但被接受的回答明确显示了我的代码出错的地方。