C++超詳細分析type_traits

2022-08-15 18:06:27

定義基礎常數

第一步，我們需要定義true和false兩個常數，所有的type_traits都基於此。我們的目的就是要用一個模板型別來表示是非，其中的value正好是這兩個值。之後我們更高階的判斷型別都是繼承自這兩個型別的其中一個，通過這種方式獲取value值就可以獲取true和false了。

如果聽這個解釋有點暈的話，不要緊，我們直接來看程式碼。這裡需要注意的是，既然type_traits都是編譯期行為，因此其成員只能是靜態不可變成員（編譯期就可以確定的成員）。

struct true_type {
    static constexpr bool value = true;
};
struct false_type {
    static constexpr bool value = false;
};

基礎型別判斷

有了基礎常數，我們可以先做一些簡單的型別判斷，比如說判斷這個型別是不是void。這裡的思路是，針對於所有型別的模板，繼承自false_type，而針對於void型別，我們給予一個模板特例，讓他繼承自true_type。這樣一來，只有當型別是void的時候才會推導true，其他的就會推導false。請看例程：

template <typename>
struct is_void : false_type {};
template <>
struct is_void<void> : true_type {};

這裡我們可以做一些簡單的測試，來判斷函數的返回值是否為void：

void test1();
int test2();
int main(int argc, const char *argv[]) {
    std::cout << is_void<decltype(test1())>::value << std::endl; // 1
    std::cout << is_void<decltype(test2())>::value << std::endl; // 0
    return 0;
}

有了判斷void的思路基礎，不難寫出判斷其他型別的，比如說判斷是否為浮點數，那麼只需要對float，double，long double進行特殊處理即可，請看程式碼：

template <typename>
struct is_floating_point : false_type {};
template <>
struct is_floating_point<float> : true_type {};
template <>
struct is_floating_point<double> : true_type {};
template <>
struct is_floating_point<long double> : true_type {};

整型判斷相對複雜一點，需要對char，signed char，unsigned char，short，unsigned short，int，unsigned，long，unsigned long，long long，unsigned long long都進行特例編寫，方法相同，不再贅述。

型別處理

在上一節編寫is_floating_point的時候可能會發現這樣的問題：

int main(int argc, const char *argv[]) {
    std::cout << is_floating_point<const double>::value << std::endl; // 0
    std::cout << is_floating_point<double &>::value << std::endl; // 0
    return 0;
}

但是照理來說，const型別以及參照型別不應該影響他浮點數的本質，當然，我們也可以針對所有的const以及參照情況都編寫模板特例，但這樣太麻煩了，如果有辦法可以去掉const以及參照這些符號，然後再去判斷的話，就會減少我們很多工作量。與此同時，這樣的型別處理在實際程式設計時也是很有用的。

那麼，如何去掉const？請看程式碼：

template <typename T>
struct remove_const {
    using type = T;
};
template <typename T>
struct remove_const<const T> {
    using type = T;
};

同樣的思路，當T是const型別時，我們變換成const T，然後只取出T，其他型別時直接透傳T。

同理，用這種方法也可以去除參照：

template <typename T>
struct remove_reference {
    using type = T;
};
template <typename T>
struct remove_reference<T &> {
    using type = T;
};
template <typename T>
struct remove_reference<T &&> {
    using type = T;
};

因此，is_floating_point就可以改寫成這樣：

// 基礎判斷降級為helper
template <typename>
struct is_floating_point_helper : false_type {};
template <>
struct is_floating_point_helper<float> : true_type {};
template <>
struct is_floating_point_helper<double> : true_type {};
template <>
struct is_floating_point_helper<long double> : true_type {};
// remove_reference和remove_const的宣告
template <typename>
struct remove_const;
template <typename>
struct remove_reference;
// 實際的is_floating_point
template <typename T>
struct is_floating_point : is_floating_point_helper<typename remove_const<typename remove_reference<T>::type>::type> {};

型別選擇

我們搞這樣一系列的型別封裝，最主要的原因是為了在編譯器進行邏輯判斷。因此，必然要進行一個選擇邏輯，也就是當條件成立時，選擇某一個型別，不成立時選擇另一個型別。這個功能非常好實現，請看程式碼：

template <bool judge, typename T1, typename T2>
struct conditional {
    using type = T1;
};
template <typename T1, typename T2>
struct conditional<false, T1, T2> {
    using type = T2;
};

當第一個引數為true時，type就與T1相同，否則就與T2相同。

判斷是否相同

我們有時候還需要判斷兩個型別是否相同，這部分也很好實現，請看程式碼：

template <typename, typename>
struct is_same : false_type {};
template <typename T>
struct is_same<T, T> : true_type {};

tips

其實按照這些邏輯，我們幾乎可以寫出type_traits中的所有功能了。STL中還實現了合取、析取、取反等操作，只是將邏輯判斷轉為了模板形式，這些用起來更方便，但不是必須的。大家感興趣可以閱讀這部分原始碼。

實現is_base_of

is_base_of用於判斷兩個型別是否是繼承關係，在C++中已經存在了對應的關鍵字用於判斷：

struct B {};
struct D : B {};
struct A {};
int main(int argc, const char *argv[]) {
    std::cout << __is_base_of(B, D) << std::endl; // 1
    std::cout << __is_base_of(B, A) << std::endl; // 0
    return 0;
}

__is_base_of關鍵字就可以完成這樣的工作，所以我們封裝它為模板即可：

template <typename B, typename D>
struct is_base_of : conditional<__is_base_of(B, D), true_type, false_type> {};

但除了這種直接使用編譯器提供的關鍵字外，這個功能還有一種其他的實現方法。

如何判斷一個類是否為一個類的父類別呢？其實就看指標能否轉換（多型）即可。請看程式碼：

template <typename B, typename D>
true_type test_is_base(B *);
template <typename B, typename D>
false_type test_is_base(void *);
template <typename B, typename D>
struct is_base_of : decltype(test_is_base<B, D>(static_cast<D *>(nullptr))) {};

如果D是B的子類，那麼就會呼叫第一個函數，從而推斷出返回值是true_type，否則呼叫第二個函數，推斷出返回值是false_type。

不過這樣做還必須加一個判斷，就是B和D必須都是類才行，而且需要去掉const等因素，詳細程式碼讀者可以自行嘗試，不再贅述。

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