SFINAE 与 type_traits

Posted 2021-03-12 shuqin

SFINAE 与 type_traits

SFINAE

替换失败不是错误 (Substitution Failure Is Not An Error)，此特性被用于模板元编程。

在函数模板的重载决议中应用此规则，当将模板形参替换为显式指定的类型或推导的类型失败时，从重载集中丢弃这个特化，而非导致编译失败。

type_traits

类型特性 定义一个编译时基于模板的结构，以查询或修改类型的属性，是一种类型萃取技术。

type_traits 在 C++ 中是基于 SFINAE 实现的，通过模板的偏特化来查询或者修改类型的属性，无运行时开销。

其核心是整数常量模板 integral_constant，MSVC 的实现如下：

template <class _Ty, _Ty _Val>
struct integral_constant { // convenient template for integral constant types
  static constexpr _Ty value = _Val;

  using value_type = _Ty;
  using type = integral_constant;

  constexpr operator value_type() const noexcept { // return stored value
    return (value);
  }
  constexpr value_type operator()() const noexcept { // return stored value
    return (value);
  }
};

其实平平无奇，保存了类模板的类型和值而已，没有什么特殊的地方，现在将这个模板特化为bool类型

// ALIAS TEMPLATE bool_constant
template <bool _Val> using bool_constant = integral_constant<bool, _Val>;

using true_type = bool_constant<true>;
using false_type = bool_constant<false>;

bool_constant 的实参只能是 bool 类型， true_type 的 integral_constant::value 是true，false_type 的 value 是 false，构建 traits 的基础已经完成。

常见的几种 traits 的 SFINAE 应用

像 std::enable_if, is_same, remove_const, remove_reference 等这些是最常用的 traits，STL的代码中这些到处可见。

enable_if

根据编译期布尔常量隐藏一个函数重载或模板特化。

// STRUCT TEMPLATE enable_if
template <bool _Test, class _Ty = void>
struct enable_if { // type is undefined for assumed !_Test
};

template <class _Ty> struct enable_if<true, _Ty> { // type is _Ty for _Test
  using type = _Ty;
};

template <bool _Test, class _Ty = void>
using enable_if_t = typename enable_if<_Test, _Ty>::type;

若 B 为 _Test ，则 std::enable_if 拥有等同于 T 的公开成员 typedef type (第二个模板实参)，否则，无该成员 typedef。

is_same

检测两个参数类型是否相同，如果相同特供 value 为 true，否则为false。实现简单，相同参数的继承 true_type, 不同参数的继承 false_type

// STRUCT TEMPLATE is_same
template <class _Ty1, class _Ty2>
struct is_same
    : false_type { // determine whether _Ty1 and _Ty2 are the same type
};

template <class _Ty1>
struct is_same<_Ty1, _Ty1>
    : true_type { // determine whether _Ty1 and _Ty2 are the same type
};

template <class _Ty, class _Uty>
constexpr bool is_same_v = is_same<_Ty, _Uty>::value;

remove_const

控制给定类型限定符是否存在。volatile 同理。

// STRUCT TEMPLATE remove_const
template <class _Ty> struct remove_const { // remove top level const qualifier
  using type = _Ty;
};

template <class _Ty>
struct remove_const<const _Ty> { // remove top level const qualifier
  using type = _Ty;
};

template <class _Ty> using remove_const_t = typename remove_const<_Ty>::type;

remove_reference

从给定类型移除引用，add_*value_reference 实现类似。

// STRUCT TEMPLATE remove_reference
template <class _Ty> struct remove_reference { // remove reference
  using type = _Ty;
};

template <class _Ty> struct remove_reference<_Ty &> { // remove reference
  using type = _Ty;
};

template <class _Ty>
struct remove_reference<_Ty &&> { // remove rvalue reference
  using type = _Ty;
};

template <class _Ty>
using remove_reference_t = typename remove_reference<_Ty>::type;

其他需要编译器外挂的 traits

像上面这些都是可以通过库来实现的 traits，这种一般也比较简单的。其他的和类 枚举 虚函数 这些相关一般都要通过内建支持。

最先想到的就是 is_trivial，这种要通过库来实现就不可能了：

1. 没有虚函数或虚基类；
2. 由C++编译器提供默认的特殊成员函数（默认的构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数、赋值运算符、移动赋值运算符和析构函数），并且最少有一个未弃置；
3. 数据成员同样需要满足条件 1 和 2。

// STRUCT TEMPLATE is_trivial
template <class _Ty>
struct is_trivial
    : bool_constant<__is_trivial(_Ty)> { // determine whether _Ty is trivial
};

__is_trivial 就是编译器的外挂了，traits 的这种实现一直秉持着能够库实现，绝不编译器去做的原则。

参考

1. SFINAE, cppreference.com.
2. std::is_trivial, cppreference.com.