c++11-17 模板核心知识（八）—— enable_if<>与SFINAE

• 引子
• 使用enable_if<>禁用模板
• enable_if<>实例
• 使用Concepts简化enable_if<>
• SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error)
  • SFINAE with decltype

引子

class Person {
private:
  std::string name;

public:
  // generic constructor for passed initial name:
  template <typename STR>
  explicit Person(STR &&n) : name(std::forward<STR>(n)) {
    std::cout << "TMPL-CONSTR for '" << name << "'\n";
  }

  // copy and move constructor:
  Person(Person const &p) : name(p.name) {
    std::cout << "COPY-CONSTR Person '" << name << "'\n";
  }

  Person(Person &&p) : name(std::move(p.name)) {
    std::cout << "MOVE-CONSTR Person '" << name << "'\n";
  }
};

构造函数是一个perfect forwarding，所以：

std::string s = "sname";
Person p1(s);            // init with string object => calls TMPL-CONSTR
Person p2("tmp");     // init with string literal => calls TMPL-CONSTR

但是当尝试调用copy constructor时会报错：

Person p3(p1);    // ERROR

但是如果参数是const Person或者move constructor则正确：

Person const p2c("ctmp");    // init constant object with string literal
Person p3c(p2c);     // OK: copy constant Person => calls COPY-CONSTR

Person p4(std::move(p1));    // OK: move Person => calls MOVE-CONST

原因是：根据c++的重载规则，对于一个nonconstant lvalue Person p，member template

template<typename STR>
Person(STR&& n)

会优于copy constructor

Person (Person const& p)

因为STR会直接被substituted为Person&，而copy constructor还需要一次const转换。

也许提供一个nonconstant copy constructor会解决这个问题，但是我们真正想做的是当参数是Person类型时，禁用掉member template。这可以通过std::enable_if<>来实现。

使用enable_if<>禁用模板

template<typename T>
typename std::enable_if<(sizeof(T) > 4)>::type
foo() {
}

当sizeof(T) > 4为False时，该模板就会被忽略。如果sizeof(T) > 4为true时，那么该模板会被扩展为：

void foo() {
}

std::enable_if<>是一种类型萃取（type trait），会根据给定的一个编译时期的表达式（第一个参数）来确定其行为：

• 如果这个表达式为true，std::enable_if<>::type会返回：
  • 如果没有第二个模板参数，返回类型是void。
  • 否则，返回类型是其第二个参数的类型。
• 如果表达式结果false，std::enable_if<>::type不会被定义。根据下面会介绍的SFINAE(substitute failure is not an error)，
  
  这会导致包含std::enable_if<>的模板被忽略掉。

给std::enable_if<>传递第二个参数的例子：

template<typename T>
std::enable_if_t<(sizeof(T) > 4), T>
foo() {
return T();
}

如果表达式为真，那么模板会被扩展为：

MyType foo();

如果你觉得将enable_if<>放在声明中有点丑陋的话，通常的做法是：

template<typename T,
typename = std::enable_if_t<(sizeof(T) > 4)>>
void foo() {
}

当sizeof(T) > 4时，这会被扩展为：

template<typename T,
typename = void>
void foo() {
}

还有种比较常见的做法是配合using：

template<typename T>
using EnableIfSizeGreater4 = std::enable_if_t<(sizeof(T) > 4)>;

template<typename T,
typename = EnableIfSizeGreater4<T>>
void foo() {
}

enable_if<>实例

我们使用enable_if<>来解决引子中的问题：

template <typename T>
using EnableIfString = std::enable_if_t<std::is_convertible_v<T, std::string>>;

class Person {
private:
  std::string name;

public:
  // generic constructor for passed initial name:
  template <typename STR, typename = EnableIfString<STR>>
  explicit Person(STR &&n) : name(std::forward<STR>(n)) {
    std::cout << "TMPL-CONSTR for '" << name << "'\n";
  }

  // copy and move constructor:
  Person(Person const &p) : name(p.name) {
    std::cout << "COPY-CONSTR Person '" << name << "'\n";
  }
  Person(Person &&p) : name(std::move(p.name)) {
    std::cout << "MOVE-CONSTR Person '" << name << "'\n";
  }
};

核心点：

• 使用using来简化std::enable_if<>在成员模板函数中的写法。
• 当构造函数的参数不能转换为string时，禁用该函数。

所以下面的调用会按照预期方式执行：

int main() {
  std::string s = "sname";
  Person p1(s);          // init with string object => calls TMPL-CONSTR
  Person p2("tmp");      // init with string literal => calls TMPL-CONSTR
  Person p3(p1);          // OK => calls COPY-CONSTR
  Person p4(std::move(p1));       // OK => calls MOVE-CONST
}

注意在不同版本中的写法：

• C++17 : using EnableIfString = std::enable_if_t<std::is_convertible_v<T, std::string>>
• C++14 : using EnableIfString = std::enable_if_t<std::is_convertible<T, std::string>::value>
• C++11 : using EnableIfString = typename std::enable_if<std::is_convertible<T, std::string>::value>::type

使用Concepts简化enable_if<>

如果你还是觉得enable_if<>不够直观，那么可以使用之前文章提到过的C++20引入的Concept.

template<typename STR>
requires std::is_convertible_v<STR,std::string>
Person(STR&& n) : name(std::forward<STR>(n)) {
...
}

我们也可以将条件定义为通用的Concept:

template<typename T>
concept ConvertibleToString = std::is_convertible_v<T,std::string>;

...
template<typename STR>
requires ConvertibleToString<STR>
Person(STR&& n) : name(std::forward<STR>(n)) {
...
}

甚至可以改为：

template<ConvertibleToString STR>
Person(STR&& n) : name(std::forward<STR>(n)) {
...
}

SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error)

在C++中针对不同参数类型做函数重载时很常见的。编译器需要为一个调用选择一个最适合的函数。

当这些重载函数包含模板函数时，编译器一般会执行如下步骤：

• 确定模板参数类型。
• 将函数参数列表和返回值的模板参数替换掉（substitute）
• 根据规则决定哪一个函数最匹配。

但是替换的结果可能是毫无意义的。这时，编译器不会报错，反而会忽略这个函数模板。

我们将这个原则叫做：SFINAE（“substitution failure is not an error）

但是替换(substitute)和实例化(instantiation)不一样：即使最终不需要被实例化的模板也要进行替换（不然就无法执行上面的第3步）。不过它只会替换直接出现在函数声明中的相关内容（不包含函数体）。

考虑下面的例子：

// number of elements in a raw array:
template <typename T, unsigned N>
std::size_t len(T (&)[N]) {
  return N;
}

// number of elements for a type having size_type:
template <typename T>
typename T::size_type len(T const &t) {
  return t.size();
}

当传递一个数组或者字符串时，只有第一个函数模板匹配，因为T::size_type导致第二个模板函数会被忽略：

int a[10];
std::cout << len(a);        // OK: only len() for array matches
std::cout << len("tmp");      // OK: only len() for array matches

同理，传递一个vector会只有第二个函数模板匹配：

std::vector<int> v;
std::cout << len(v);    // OK: only len() for a type with size_type matches

注意，这与传递一个对象，有size_type成员，但是没有size()成员函数不同。例如：

std::allocator<int> x;
std::cout << len(x);     // ERROR: len() function found, but can’t size()

编译器会根据SFINAE原则匹配到第二个函数，但是编译器会报找不到std::allocator<int>的size()成员函数。在匹配过程中不会忽略第二个函数，而是在实例化的过程中报错。

而使用enable_if<>就是实现SFINAE最直接的方式。

SFINAE with decltype

有的时候想要为模板定义一个合适的表达式是比较难得。

比如上面的例子，假如参数有size_type成员但是没有size成员函数，那么就忽略该模板。之前的定义为：

template<typename T>
typename T::size_type len (T const& t) {
    return t.size();
}

std::allocator<int> x;
std::cout << len(x) << '\n';       // ERROR: len() selected, but x has no size()

这么定义会导致编译器选择该函数但是会在instantiation阶段报错。

处理这种情况一般会这么做：

• 通过trailing return type来指定返回类型 (auto -> decltype)
• 将所有需要成立的表达式放在逗号运算符的前面。
• 在逗号运算符的最后定义一个类型为返回类型的对象。

比如：

template<typename T>
auto len (T const& t) -> decltype( (void)(t.size()), T::size_type() ) {
    return t.size();
}

这里，decltype的参数是一个逗号表达式，所以最后的T::size_type()为函数的返回值类型。逗号前面的(void)(t.size())必须成立才可以。

（完）

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