C++ 限制模板实参类型

有时候我们编写一个模板，希望用户使用我们期望的类型来实例化它，就需要对实参进行检查，限制不满足条件的实例化版本，同时给出便于理解的编译时信息。

对于 C++20 后的版本，可以将条件包装为concept：

代码

template<typename T>
concept check = requires(T t)
{
  T{};//可以默认构造
  typename T::value_type;//定义了value_type类型名
  t.x;//具有名为x的成员变量
  t.set(1);//具有名为set的成员函数，并且可以使用(int)1调用
};

struct A//完全满足所有要求
{
  typedef float value_type;
  value_type x;
  void set(value_type _x){}//concept检查接口调用时接受int到float的隐式转换
};
;
struct B//无默认构造函数
{
  typedef int value_type;
  value_type x;
  B(int _x):x(_x){}
  void set(value_type _x){}
};

struct C//没有定义value_type类型名
{
  int x;
  void set(int _x){}
};

struct D//没有名为x的数据成员
{
  typedef int value_type;
  void set(value_type _x){}
};

struct E//没有名为set的成员函数
{
  typedef int value_type;
  value_type x;
};

template<check T>
struct tp1{};

tp1<A> a;//OK
tp1<B> b;//错误，无默认构造函数可用
tp1<C> c;//错误，value_type未定义
tp1<D> d;//错误，x不是D的成员
tp1<E> e;//错误，set不是E的成员

通过concept可以方便的包装条件，并且在编译时给出相对易于理解的错误信息，但是如果我们的编译环境不支持 C++20，这些检查的实现就会颇为复杂：

代码

#define DETECT_TYPE_DEFINITION(name)                                                                     \
template<typename T, typename = void>                                                                    \
struct detect_type_definition_##name##_impl : std::false_type {};                                        \
template<typename T>                                                                                     \
struct detect_type_definition_##name##_impl<T, std::void_t<typename T::name>> : std::true_type {};       \
template<typename T>                                                                                     \
constexpr bool has_type_definition_##name = detect_type_definition_##name##_impl<T>::value;

//《C++ Templates》中讲到的方法，impl函数利用 SFINAE 特性，只用作返回值类型推导，无需函数体
#define DETECT_MEMBER(name)                                                                              \
  template<typename T>                                                                                   \
  constexpr auto detect_member_##name##_impl(int) -> decltype(std::declval<T>().name, std::true_type{}); \
  template<typename>                                                                                     \
  constexpr auto detect_member_##name##_impl(...) -> std::false_type;                                    \
  template<typename T>                                                                                   \
  constexpr bool has_member_##name = decltype(detect_member_##name##_impl<T>(0))::value;

#define DETECT_MEMBER_FUNC(name)                                                                         \
  template<typename T, typename... Args>                                                                 \
  constexpr auto detect_member_func_##name##_impl(int) ->                                                \
    decltype(std::declval<T>().name(std::declval<Args>()...), std::true_type{});                         \
  template<typename, typename...>                                                                        \
  constexpr auto detect_member_func_##name##_impl(...) -> std::false_type;                               \
  template<typename T, typename... Args>                                                                 \
  constexpr bool has_member_func_##name =                                                                \
    decltype(detect_member_func_##name##_impl<T, Args...>(0))::value;

//使用宏可以方便地扩展到不同名称的成员检测上，便于复用
DETECT_TYPE_DEFINITION(value_type);//生成对名为value_type的类型定义的检测模板
DETECT_MEMBER(x);//生成对名为x的成员变量的检测模板
DETECT_MEMBER_FUNC(set);//生成对名为成员函数set的检测模板

//辅助检测基类
template<typename T>
struct check
{
  static_assert(std::is_default_constructible<T>::value, "no default constructor");//是否可以默认构造
  static_assert(has_type_definition_value_type<T>, "no definition of 'value_type'");//是否定义了value_type类型名
  static_assert(has_member_x<T>, "no member named 'x'");//是否有名为x的成员
  static_assert(has_member_func_set<T, int>, "no member function named 'set' or "
    "the member function 'set' can not be called with an integer");//是否有名为set，并且可用int调用的成员函数
};

template<typename T /*, typename trigger_check = check<T>若tp2内未使用check<T>，check<T>的实例化将会被跳过*/>
struct tp2: check<T>//继承自check以保证check被实例化
{
  //using trigger_check = check<T>;//同默认模板实参一样，可能由于惰性实例化而跳过
};

//类A、B、C、D、E为先前的定义
tp2<A> a;//OK
tp2<B> b;//错误，no default constructor
tp2<C> c;//错误，no definition of 'value_type'
tp2<D> d;//错误，no member named 'x'
tp2<E> e;//错误，no member function named 'set' or the member function 'set' can not be called with an integer

通过继承（代码注释中已解释为什么不用默认模板实参和类型别名）可以将检查条件封装于基类中，使用静态断言，可在发生编译错误时提供可读性更高的错误提示。 在多个模板类都需要相同的实参约束条件时，将约束条件收集到基类中可以增加代码复用性，减少搬砖性质的劳动。例如在编写几何类库时，很多类都要求使用算术类型来实例化：

代码

template<typename T>
struct arithmetic_check
{
  static_assert(std::is_arithmetic<T>::value, "instanciation requires arithmetic types");
};

template<typename T>
class point : arithmetic_check<T> {...};
template<typename T>
class rect : arithmetic_check<T> {...};
template<typename T>
class line_segment : arithmetic_check<T> {...};
...

若通用条件无法满足需求，可以通过继承扩充条件约束：

代码

//不仅需要算术类型，还要求是有符号
template<typename T>
struct signed_check : arithmetic_check<T>
{
  static_assert(std::is_signed<T>::value, "instanciation requires signed arithmetic types");
};
template<typename T>
class real_point : signed_check<T> {...};

上述简单例子有些故意为之，但是足以展示编码思路。 由于所有的条件约束类都不存在非静态数据成员，编译器可以针对它们启用空基类优化策略（EBCO，Empty Base Class Optimization），不会增加内存占用。