还搞不懂STL的type_traits？从源码来带你一起分析

Posted 2023-01-29 凌桓丶

文章目录

• 什么是类型萃取？
• 源码剖析
• • SGI-STL G2.9版本类型萃取
  • C++标准库类型萃取
  • • SFINAE机制与enable_if
    • conditional
    • 核心结构：integral_constant 与bool_constant
    • is_same
    • 类型转换：remove/add_xx()
    • 实战分析：is_void

---

什么是类型萃取？

type_traits被称为类型萃取，主要用于在编译期计算、查询、判断、转换和选择，增强了泛型编程的能力，也增强了程序的弹性，使得我们在编译期就能做到优化改进甚至排错，能进一步提高代码质量。

cplusplus-type_traits
在C++中类型萃取主要包含三大部分

• 辅助类（Helper classes）

  • 用于帮助创建编译器常量的标准类。
    

• 类型萃取（Type traits）

  • 在编译期以常量的形式获取类的特征。
    

• 类型转换（Type transformations）

  • 为某个类型增加/删除属性。例如增加/删除const、volatile等。
    

源码剖析

以下代码全部来自C++标准库的type_traits、xtr1common，SGI-STL的type_traits.h文件中，为了方便阅读与理解，在一些重要的地方我会加上注释。

SGI-STL G2.9版本类型萃取

考虑到理解难度，我们先不讲标准库的类型萃取，先看看G2.9的STL中单独封装的类型萃取。

在SGI-STL的类型萃取中，每个类型其主要关注六个参数

• this_dummy_member_must_be_first：这个虚函数成员必须为第一个参数
• has_trivial_default_constructor：默认的构造函数是否不重要。
• has_trivial_copy_constructor：拷贝构造函数是否不重要。
• has_trivial_assignment_operator：赋值运算符是否不重要。
• has_trivial_destructor：析构函数是否不重要。
• is_POD_type：是否为基本类型。

为什么要选择这些参数呢?例如我们在使用一个容器时（例如vector<type>），如果其为自定义类型，我们需要在构造的时候为每一个成员调用一次构造函数，在析构的时候调用一次析构函数。但是对于内置类型来说，这些操作完全不必要，我们可以直接采用内存直接处理操作如malloc()、memcpy()等方法来以最高效率执行。

如果我们准备对一个类型未知的数组进行拷贝操作时，如果能够提前知道它使用的是默认的拷贝构造函数，就可以直接使用memcpy、memmove来快速进行拷贝，对于STL中这些大规模且操作频繁的容器，带来了巨大的性能提升。

下面结合源码，来看看它们是怎么实现的

struct __true_type 
;

struct __false_type 
;

//泛化模板
template <class type>
struct __type_traits  
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;
   typedef __false_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __false_type    has_trivial_destructor;
   typedef __false_type    is_POD_type;
;

//特化，太多了这里只举几个例子
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> 
   typedef __true_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __true_type    has_trivial_destructor;
   typedef __true_type    is_POD_type;
;

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<int> 
   typedef __true_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __true_type    has_trivial_destructor;
   typedef __true_type    is_POD_type;
;

STL中的做法十分简单，其通过模板的特化来实现这个功能。对于泛化类型，它默认它的这些参数都是false的，而后再对所有的内置类型进行特化，将它们typedef为true，简单高效的完成了这个功能。

C++标准库类型萃取

C++标准库中的类型萃取功能更加强大，但是实现也更加的复杂

SFINAE机制与enable_if

SFINAE（Substitution Failure is Not An Error）是C++ 的一种语言属性，它的核心就是从一组重载函数中删除模板实例化无效的函数——在编译期编译时，会将函数模板的形参替换为实参，如果替换失败编译器不会当作是个错误，直到找到那个最合适的特化版本，如果所有的模板版本都替换失败那编译器就会报错。

这里用enable_if来举个例子

template <bool _Test, class _Ty = void>
struct enable_if ; 

template <class _Ty>
struct enable_if<true, _Ty> 
    using type = _Ty;
;

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

从源码我们可以看到，只有当第一个模板参数为true的时候，由于偏特化，其能够匹配到第二个模板，此时的type才是有效的。而对于其他情况来说，编译器都会直接忽略，直到匹配所有模板都失败后，此时编译器才会进行报错。

通过SFINAE技术可以完成很多有趣的事，比如根据参数类型做不同的定制化操作。

conditional

为了能利用模板来实现如or、and等逻辑判断，type_traits还实现了条件模板conditional

template <bool _Test, class _Ty1, class _Ty2>
struct conditional  // Choose _Ty1 if _Test is true, and _Ty2 otherwise
    using type = _Ty1;
;

template <class _Ty1, class _Ty2>
struct conditional<false, _Ty1, _Ty2> 
    using type = _Ty2;
;

template <bool _Test, class _Ty1, class _Ty2>
using conditional_t = typename conditional<_Test, _Ty1, _Ty2>::type;

其泛化时默认type为第二个参数，而对于第一个参数为false的特化版本，则会使用第二个参数。

核心结构：integral_constant 与bool_constant

type_traits最核心的结构就是integral_constant与bool_constant，下面给出了它们的源代码

integral_constant是类型萃取最底层的结构，其借助模板使我们能够获取到KEY与VALUE的值与类型。同时，integral_constant重载了类型转换操作符与()操作符，使其能够像一个函数一样进行调用。

template <class _Ty, _Ty _Val>
struct integral_constant 
    static constexpr _Ty value = _Val;

    using value_type = _Ty;
    using type       = integral_constant;	

	//类型转换运算符重载，将对象转换为value_type时隐式调用
    constexpr operator value_type() const noexcept 
        return value;
    

	//()运算符重载，用于实现仿函数
    _NODISCARD constexpr value_type operator()() const noexcept 
        return value;
    
;

接着我们来分析bool_constant，其实它就是利用模板来对integral_constant进行了一层封装。它用来检查模板类型是否为某种类型，通过bool_constant我们可以获取编译期检查的bool值结果。

template <bool _Val>
using bool_constant = integral_constant<bool, _Val>;

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

is_same

接下来我们看看is_same这个类，下面给出源码：

template <class _Ty1, class _Ty2>
struct is_same : bool_constant<is_same_v<_Ty1, _Ty2>> ;

如果只从调用关系看，我们很容易将其看成一个函数，但是实际上它其实继承于bool_constant，是一个仿函数对象。

它的主要作用是判断两个对象的类型是否相同，从源码我们可以看出，这里主要依赖了is_same_v这个模板变量。

//借助模板的匹配规则判断是否属于相同类型
template <class, class>
_INLINE_VAR constexpr bool is_same_v = false;

template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_same_v<_Ty, _Ty> = true;

is_same_v借助模板的隐式匹配规则，来判断两个参数是否属于同一个类型，只有两个模板参数的类型都相同时，才为true。

类型转换：remove/add_xx()

在类型萃取的时候，为了排除不必要的干扰，我们通常会对数据的原类型进行一些处理，比如去掉const、volatile、右值引用等属性。

下面我们来看看比较常用的remove_const和remove_volatile的源码:

//去除顶层const
template <class _Ty>
struct remove_const  
    using type = _Ty;
;

template <class _Ty>
struct remove_const<const _Ty> 
    using type = _Ty;
;

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

// 去除顶层volatile
template <class _Ty>
struct remove_volatile  
    using type = _Ty;
;

template <class _Ty>
struct remove_volatile<volatile _Ty> 
    using type = _Ty;
;

template <class _Ty>
using remove_volatile_t = typename remove_volatile<_Ty>::type;

它们的实现思路相同，都是利用了模板的偏特化来完成类型的消除，当我们的参数匹配到特化版本时，就会通过using关键字将type指定为泛化版本，完成消除。

通常，这两个仿函数会搭配使用，因此标准库又封装它们再次成remove_cv

// STRUCT TEMPLATE remove_cv
template <class _Ty>
struct remove_cv  // remove top-level const and volatile qualifiers
    using type = _Ty;

    template <template <class> class _Fn>
    using _Apply = _Fn<_Ty>; // apply cv-qualifiers from the class template argument to _Fn<_Ty>
;

template <class _Ty>
struct remove_cv<const _Ty> 
    using type = _Ty;

    template <template <class> class _Fn>
    using _Apply = const _Fn<_Ty>;
;

template <class _Ty>
struct remove_cv<volatile _Ty> 
    using type = _Ty;

    template <template <class> class _Fn>
    using _Apply = volatile _Fn<_Ty>;
;

template <class _Ty>
struct remove_cv<const volatile _Ty> 
    using type = _Ty;

    template <template <class> class _Fn>
    using _Apply = const volatile _Fn<_Ty>;
;

template <class _Ty>
using remove_cv_t = typename remove_cv<_Ty>::type;

实战分析：is_void

上面讲了一些类型萃取的关键函数，下面就来实际看一看它们到底是怎么运作的，首先选取最简单的is_void来分析。

// STRUCT TEMPLATE is_void
template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_void_v = is_same_v<remove_cv_t<_Ty>, void>;

template <class _Ty>
struct is_void : bool_constant<is_void_v<_Ty>> ;

我们从内往外开始分析，它的执行流程如下

1. 调用remove_cv_t去除const与volatile属性。
2. 借助is_same_v模板，判断参数类型_Ty与void是否相同。
3. 将判断的结果作为bool_constant的参数，此时bool_constant类型为integral_constant<bool,result>。
4. is_void继承自指定版本的bool_constant。

下面我们来实际使用一下

#include<iostream>
#include<type_traits>
using namespace std;

int main()

	cout << typeid(is_void<int>::type).name() << endl;
	cout << is_void<int>::value << endl;
	
	cout << typeid(is_void<void>::type).name() << endl;
	cout << is_void<void>::value << endl;

	return 0;


------------输出结果------------
struct std::integral_constant<bool,0>
0
struct std::integral_constant<bool,1>
1

至于其他一些类型的萃取函数，其实都与上面的大致相同，唯一不同的地方就是is_type_v这里的类型判断的逻辑，例如：

template <class _Ty>
struct is_union : bool_constant<__is_union(_Ty)> ; // determine whether _Ty is a union

template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_union_v = __is_union(_Ty);

// STRUCT TEMPLATE is_class
template <class _Ty>
struct is_class : bool_constant<__is_class(_Ty)> ; // determine whether _Ty is a class

template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_class_v = __is_class(_Ty);

// STRUCT TEMPLATE is_fundamental
template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_fundamental_v = is_arithmetic_v<_Ty> || is_void_v<_Ty> || is_null_pointer_v<_Ty>;

template <class _Ty>
struct is_fundamental : bool_constant<is_fundamental_v<_Ty>> ; // determine whether _Ty is a fundamental type

遗憾的是C++标准库中并没有给出这些复杂类型的判断代码，在这里也就不过多的进行讲解了。