什么是Type traits?

Type traits are a clever technique used in C++ template metaprogramming that gives you the ability to inspect and transform the properties of types.

  1. Type traits通常被用在conditional compliation中(c++17引入)，编译器来根据不同的输入类型，生成不同的代码。（后面举例）

比如，给定一个类型T，它可以是int，bool，std::vector或者任意类型，借助type traits，我们可以对编译器问各种问题：

  • T是整型吗
  • T是函数吗
  • T是指针吗
  • T是一个类吗
  • T有析构函数吗
  • T可以复制吗
  • T会抛异常吗
  • T有一个名字叫reserve的成员函数吗
  • …

有了type traits，在mordern c++中，可以取代SFINAE

  1. Type traits还可以对类型做转换

比如给定类型T，我们可以做如下转换：

  • 增加或者删除const描述符
  • 增加或者删除引用
  • 增加或者删除指针
  • 转换称为一个有符号数或者无符号数
  • …

这个通常只会在写一个library的时候才会见到，绝大多数应用程序是很难见到类似用法的。

type traits只发生在编译器，没有任何运行期消耗，就是一个模板元编程的技巧。

What is a type trait?

本质上type traits就是一个模板类，这个模板类包含若干成员常量(member constant)，这些常量：

  • 要么是之前向编译器询问的问题的答案
  • 要么是类型转换之后的结果

我们分别举例：

template<typename T>
struct is_floating_point;

std::is_floating_point是<type_traits>里的一个type traits，作用就是告知T是否是一个浮点数。我们可以看到它其实就是一个struct，里面有一个bool常量value，根据传入的类型不同，value成员会被设置为true或者false。

另一个用法如下

template<typename T>
struct remove_reference;

remove_reference是一个类型转换，将T&转换为T，同样它也是一个struct，里面有一个常量type就是转换之后的类型。

How do I use a type trait?

#include <iostream>
#include <type_traits>

class Class {};

int main() {
    std::cout << std::is_floating_point<Class>::value << '\n';
    std::cout << std::is_floating_point<float>::value << '\n';
    std::cout << std::is_floating_point<int>::value << '\n';
}

运行之后打印结果就是

0
1
0

How does it work exactly?

编译器实际会根据type_traits传入的不同类型，会生成多个struct，比如对于上面的例子，总共传入了Class，float，int三个类型，编译器就会实际产生类似如下代码（注意其类型是static）：

struct is_floating_point_Class {
    static const bool value = false;
};

struct is_floating_point_float {
    static const bool value = true;
};

struct is_floating_point_int {
    static const bool value = false;
};

所以上面的代码实际就会转换成如下代码

int main() {
    std::cout << std::is_floating_point_Class::value << '\n';
    std::cout << std::is_floating_point_float::value << '\n';
    std::cout << std::is_floating_point_int::value << '\n';
}

编译器根据传入的三个不同类，生成对应的结构体，每个结构体有一个成员变量value，我们只需要通过::获取其值就可以。再次说明这些都是发生在编译期，没有任何运行期开销。

Under the hood

真实是否真的是像上面所说？

我们在c++ insight运行类上面的代码，可以看到实际运行的代码如下：

int main() {
  std::operator<<(std::cout.operator<<(std::integral_constant<bool, false>::value), '\n');
  std::operator<<(std::cout.operator<<(std::integral_constant<bool, true>::value), '\n');
  std::operator<<(std::cout.operator<<(std::integral_constant<bool, false>::value), '\n');
}

也就是is_floating_point实际被转换为了另一个type_traits (integral_constant)，c++ reference中给出的一种可能实现如下

template< class T >
struct is_floating_point
     : std::integral_constant<
         bool,
         std::is_same<float, typename std::remove_cv<T>::type>::value  ||
         std::is_same<double, typename std::remove_cv<T>::type>::value  ||
         std::is_same<long double, typename std::remove_cv<T>::type>::value
     > {};

How to use type traits

  • Writing algorithms
  • Restricting templates using enable_if
  • Provide optimized versions of generic code for some types

conditional compilation

假设再写一个算法，这个算法对于有符号数和无符号数有不同处理，那么就可以利用type_traits

void algorithm_signed  (int i)      { /*...*/ }
void algorithm_unsigned(unsigned u) { /*...*/ }


template <typename T>
void algorithm(T t)
{
    if constexpr(std::is_signed<T>::value)
        algorithm_signed(t);
    else
    if constexpr (std::is_unsigned<T>::value)
        algorithm_unsigned(t);
    else
        static_assert(std::is_signed<T>::value || std::is_unsigned<T>::value, "Must be signed or unsigned!");
}

这个模板函数algorithm就像一个分发器，当传入有符号数的时候调用的是algorithm_signed，当传入无符号数时则会调用algorithm_unsigned，而当既不是有符号数也不是无符号数时，则会直接在编译器报错。

algorithm(3);       // T is int, include algorithm_signed()

unsigned x = 3;
algorithm(x);       // T is unsigned int, include algorithm_unsigned()

algorithm("hello"); // T is string, build error!

altering types

类型转换其实在标准库中会非常常见，比如std::move本质上就是把一个类型T转换为右值引用T&&，实际上std::move本质上就是调用了std::remove_reference这个type traits。std::move实际的操作如下：

  1. 如果传入的类型T带引用&则把它去掉(没有则不做任何操作)，此时的类型为T'
  2. T'再转换为右值引用T'&&

一种可能实现如下：

template <typename T>
typename remove_reference<T>::type&& move(T&& arg)
{
  return static_cast<typename remove_reference<T>::type&&>(arg);
}

实际上std::move(t)返回的类型就是static_cast<typename std::remove_reference<T>::type&&>(t)

syntax sugar

在C++14中为了避免type traits中的各种::value或者::type，引入了两个语法糖_v和_t，如下所示

std::is_signed<T>::value;     /* ---> */   std::is_signed_v<T>;
std::remove_const<T>::type;   /* ---> */   std::remove_const_t<T>;

也就是要使用问编译器类型是否满足特定条件时使用_v，而要使用类型转换结果时使用_t，绝大多数<type_traits>中的type traits都有对应的语法糖。

Template argument deduction

这部分实际还和模板推导有关，等下次再回顾下。

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/template_argument_deduction

#include <type_traits>
#include <iostream>

int func(...) { return 0; }

int func(float f) { return 1; }

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, int>::type
func(T val) { return 2; }


int main() {
    // 0 2 1 1
    std::cout << func(nullptr) << " ";
    std::cout << func(2) << " ";
    std::cout << func(2.f) << " ";
    std::cout << func(2.0) << std::endl;
}

#include <type_traits>
#include <iostream>

int func(...) { return 0; }

int func(float f) { return 1; }

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, int>::type
func(T val) { return 2; }

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value, int>::type
func(T val) { return 3; }

int main() {
    // 0 2 1 3
    std::cout << func(nullptr) << " ";
    std::cout << func(2) << " ";
    std::cout << func(2.f) << " ";
    std::cout << func(2.0) << std::endl;
}

reference

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