文章目錄

• 什么是類型萃取？
• 源碼剖析
• • SGI-STL G2.9版本類型萃取
  • C++標準庫類型萃取
  • • SFINAE機制與enable_if
    • conditional
    • 核心結構：integral_constant 與bool_constant
    • is_same
    • 類型轉換：remove/add_xx()
    • 實戰分析：is_void

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什么是類型萃取？

type_traits被稱為類型萃取，主要用于在編譯期計算、查詢、判斷、轉換和選擇，增強了泛型編程的能力，也增強了程序的彈性，使得我們在編譯期就能做到優化改進甚至排錯，能進一步提高代碼質量。

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

• 輔助類（Helper classes）

  • 用于幫助創建編譯器常量的標準類。
    

• 類型萃取（Type traits）

  • 在編譯期以常量的形式獲取類的特征。
    

• 類型轉換（Type transformations）

  • 為某個類型增加/刪除屬性。例如增加/刪除const、volatile等。
    

源碼剖析

以下代碼全部來自C++標準庫的type_traits、xtr1common，SGI-STL的type_traits.h文件中，為了方便閱讀與理解，在一些重要的地方我會加上注釋。

SGI-STL G2.9版本類型萃取

考慮到理解難度，我們先不講標準庫的類型萃取，先看看G2.9的STL中單獨封裝的類型萃取。

在SGI-STL的類型萃取中，每個類型其主要關注六個參數

• this_dummy_member_must_be_first：這個虛函數成員必須為第一個參數
• has_trivial_default_constructor：默認的構造函數是否不重要。
• has_trivial_copy_constructor：拷貝構造函數是否不重要。
• has_trivial_assignment_operator：賦值運算符是否不重要。
• has_trivial_destructor：析構函數是否不重要。
• is_POD_type：是否為基本類型。

為什么要選擇這些參數呢?例如我們在使用一個容器時（例如vector<type>），如果其為自定義類型，我們需要在構造的時候為每一個成員調用一次構造函數，在析構的時候調用一次析構函數。但是對于內置類型來說，這些操作完全不必要，我們可以直接采用內存直接處理操作如malloc()、memcpy()等方法來以最高效率執行。

如果我們準備對一個類型未知的數組進行拷貝操作時，如果能夠提前知道它使用的是默認的拷貝構造函數，就可以直接使用memcpy、memmove來快速進行拷貝，對于STL中這些大規模且操作頻繁的容器，帶來了巨大的性能提升。

下面結合源碼，來看看它們是怎么實現的

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，太多了這里只舉幾個例子 __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中的做法十分簡單，其通過模板的特化來實現這個功能。對于泛化類型，它默認它的這些參數都是false的，而后再對所有的內置類型進行特化，將它們typedef為true，簡單高效的完成了這個功能。

C++標準庫類型萃取

C++標準庫中的類型萃取功能更加強大，但是實現也更加的復雜

SFINAE機制與enable_if

SFINAE（Substitution Failure is Not An Error）是C++ 的一種語言屬性，它的核心就是從一組重載函數中刪除模板實例化無效的函數——在編譯期編譯時，會將函數模板的形參替換為實參，如果替換失敗編譯器不會當作是個錯誤，直到找到那個最合適的特化版本，如果所有的模板版本都替換失敗那編譯器就會報錯。

這里用enable_if來舉個例子

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;

從源碼我們可以看到，只有當第一個模板參數為true的時候，由于偏特化，其能夠匹配到第二個模板，此時的type才是有效的。而對于其他情況來說，編譯器都會直接忽略，直到匹配所有模板都失敗后，此時編譯器才會進行報錯。

通過SFINAE技術可以完成很多有趣的事，比如根據參數類型做不同的定制化操作。

conditional

為了能利用模板來實現如or、and等邏輯判斷，type_traits還實現了條件模板conditional

template <bool _Test, class _Ty1, class _Ty2> struct conditional { // Choose _Ty1 if _Test is true, and _Ty2 otherwiseusing 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;

其泛化時默認type為第二個參數，而對于第一個參數為false的特化版本，則會使用第二個參數。

核心結構：integral_constant 與bool_constant

type_traits最核心的結構就是integral_constant與bool_constant，下面給出了它們的源代碼

integral_constant是類型萃取最底層的結構，其借助模板使我們能夠獲取到KEY與VALUE的值與類型。同時，integral_constant重載了類型轉換操作符與()操作符，使其能夠像一個函數一樣進行調用。

template <class _Ty, _Ty _Val> struct integral_constant {static constexpr _Ty value = _Val;using value_type = _Ty;using type = integral_constant; //類型轉換運算符重載，將對象轉換為value_type時隱式調用constexpr operator value_type() const noexcept {return value;}//()運算符重載，用于實現仿函數_NODISCARD constexpr value_type operator()() const noexcept {return value;} };

接著我們來分析bool_constant，其實它就是利用模板來對integral_constant進行了一層封裝。它用來檢查模板類型是否為某種類型，通過bool_constant我們可以獲取編譯期檢查的bool值結果。

template <bool _Val> using bool_constant = integral_constant<bool, _Val>;using true_type = bool_constant<true>; using false_type = bool_constant<false>;

is_same

接下來我們看看is_same這個類，下面給出源碼：

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

如果只從調用關系看，我們很容易將其看成一個函數，但是實際上它其實繼承于bool_constant，是一個仿函數對象。

它的主要作用是判斷兩個對象的類型是否相同，從源碼我們可以看出，這里主要依賴了is_same_v這個模板變量。

//借助模板的匹配規則判斷是否屬于相同類型 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借助模板的隱式匹配規則，來判斷兩個參數是否屬于同一個類型，只有兩個模板參數的類型都相同時，才為true。

類型轉換：remove/add_xx()

在類型萃取的時候，為了排除不必要的干擾，我們通常會對數據的原類型進行一些處理，比如去掉const、volatile、右值引用等屬性。

下面我們來看看比較常用的remove_const和remove_volatile的源碼:

//去除頂層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;// 去除頂層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;

它們的實現思路相同，都是利用了模板的偏特化來完成類型的消除，當我們的參數匹配到特化版本時，就會通過using關鍵字將type指定為泛化版本，完成消除。

通常，這兩個仿函數會搭配使用，因此標準庫又封裝它們再次成remove_cv

// STRUCT TEMPLATE remove_cv template <class _Ty> struct remove_cv { // remove top-level const and volatile qualifiersusing 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;

實戰分析：is_void

上面講了一些類型萃取的關鍵函數，下面就來實際看一看它們到底是怎么運作的，首先選取最簡單的is_void來分析。

// 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>> {};

我們從內往外開始分析，它的執行流程如下

調用remove_cv_t去除const與volatile屬性。

借助is_same_v模板，判斷參數類型_Ty與void是否相同。

將判斷的結果作為bool_constant的參數，此時bool_constant類型為integral_constant<bool,result>。

is_void繼承自指定版本的bool_constant。

下面我們來實際使用一下

#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; }------------輸出結果------------ struct std::integral_constant<bool,0> 0 struct std::integral_constant<bool,1> 1

至于其他一些類型的萃取函數，其實都與上面的大致相同，唯一不同的地方就是is_type_v這里的類型判斷的邏輯，例如：

template <class _Ty> struct is_union : bool_constant<__is_union(_Ty)> {}; // determine whether _Ty is a uniontemplate <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 classtemplate <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

遺憾的是C++標準庫中并沒有給出這些復雜類型的判斷代碼，在這里也就不過多的進行講解了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的还搞不懂STL的type_traits？从源码来带你一起分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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