C++

SFINAE 的发展史

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前言

说到 C++ 的模板技术，有一个术语不得不提：SFINAE (读作 Sfee-nay，Substitution Failure is Not An Error )。这个技术使得 C++ 这样的静态语言在一定程度上可以实现类似反射的功能 (可以根据类型的特征，表现出不同的行为)。在 C++20 标准概念库发布之后，许多运用到 SFINAE 技术的场景都可以被概念取代，这一古老的技术也许也将退出历史舞台。

当然，这不是一件值得悲伤的事情，这说明标准委员会在积极地寻求摆脱历史的包袱的途径。

这篇文章旨在向想要了解 SFINAE 的读者介绍这一技术的发展历史。

什么是 SFINAE?

任何人，看到那样一长串的英文解释，或许都会懵逼。替换失败不是一个错误？什么鬼？

更加具体地说，这句话的意思是，在模板实例化的过程中，替换失败不是一个错误。

C++98 的做法

下面我将以判断一个类是否拥有 size_t size() 方法为例，来深入 SFINAE。

我们希望，假如这个类拥有 size 方法，那么就调用这个方法，否则使用另外一个泛化版本的方法。

traits

我们定义一个结构体 hasSize 作为类的特征，假如这个类拥有 size 方法，那么 hasSize::value 将会是 true (或1)，否则为 false。

template <typename T>
struct hasSize
{
    // Compile-time Boolean
    typedef char yes;
    typedef int  no;
};

Q: 你一定注意到了上面的 typedef，并且对此有些不解。它是做什么的？

A: 它是用来做编译期的对错判断的。

Q: 为什么要这么写？直接用函数返回 true 或 false 难道不好吗？

A: 确实好，但是 C++98 的函数返回值只能在运行时获得。直到 C++11 引入 constexpr 之后，这一问题才得到改善。

Q: 那为什么这么写就能达成我们的目的？

A: 我们应该还记得 C 里的一个运算符，它长得有点像函数，但与它有关的求值却全都发生在编译期。那就是 sizeof。

const int a = sizeof(int);
const bool b = sizeof(int) == sizeof(char);

上面的两个赋值语句，其赋值号右边的值均可以在编译期求得。而看到第二个语句，你一定已经恍然大悟。

下面就是我们的 SFINAE 登场的时候了。

我们在结构体内加入另外一个脚手架结构体 reallyHas：

template <typename U, U u> struct reallyHas;

我们在参数 U 中可以给出函数指针的类型，在参数 u 中给出成员函数的具体名字。

然后给出两个函数 test 的重载版本：

template <typename U,
          typename = reallyHas<size_t(U::*)() const, &U::size>>
static yes test(U) { }
​
// Fallback:
static no test(...) { }

第一个版本返回 yes，接受 U 类型的变量为参数，模板参数列表里第一个是 U，第二个参数是我们之前的脚手架 reallyHas。

第二个版本接受可变长参数。

匹配 test 版本的过程中，会发生这样的事：

  • test 从参数中推导出 U 的具体类型，代入模板的第一个参数，然后把所有的 U 替换成这个类型。
  • 替换 (Substitution) 完毕，接着编译器会去查找实例化后 test 中和替换后 U 有关的部分（本例中就是 size_t(U::*)() const 类型的 &U::size），假如它们不存在，那么这次替换就宣告失败 (Failure)。但替换失败不是一个错误 (Error)，编译器会接着匹配，直到所有候选名单 (candidates) 的成员都不匹配，才会报错。
  • 随着第一个匹配失败，模板去匹配可变长参数版本的 test。这个版本无论如何一定能匹配成功，而它的返回值类型是 no。

然后我们使用一个枚举常量 value 来接受结果：（C++11 之后便被 constexpr 取代）

enum
{
    value = sizeof(test(T())) == sizeof(yes)
};

这一过程，我们并不需要函数具体的返回值，而只是对返回值的类型作操作。这冥冥之中也印证了一句话：C++的模板是编译期的多态，是类型的多态。

当然上面的并不是最终版本，假如我们的 size 有两种可能的版本：

  • size_t(U::*)() const
  • size_t(U::*)()

那么我们就无法简单使用上面的做法了。

下面提供一种更加简洁的做法：

template <typename T>
struct hasSize
{
    typedef char yes;
    typedef int  no;
​
    template <typename U, U u> struct reallyHas;
​
    template <typename U> static yes test(reallyHas<size_t(U::*)(), &U::size> *) { }
    template <typename U> static yes test(reallyHas<size_t(U::*)() const, &U::size> *) { }
    template <typename> static no test(...) { }
​
    enum
    {
        value = sizeof(test<T>(int())) == sizeof(yes)
    };
};

由于 C++ 整形可以隐式转化为指针，我们仍然会先匹配 yes 版本的 test。

enable_if

下面我们使用之前的 hasSize 来帮助我们实现目的。我们来引入另外一个工具人：enable_if。

template <bool, typename T>
struct enable_if
{
    typedef T type;
};
​
template <typename T>
struct enable_if<false, T>
{ };

看起来有点懵？不知道它要干嘛？我们继续实现我们的 getSize 函数：

template <typename T>
  typename enable_if<hasSize<T>::value, size_t>::type
getSize(const T &obj)
{
    std::cout << "obj has size" << std::endl;
    return obj.size();
}
​
template <typename T>
/* disable if: */
  typename enable_if<!hasSize<T>::value, size_t>::type
getSize(const T &obj)
{
    std::cout << "obj has no size" << std::endl;
    return sizeof(obj);
}

两处都得写上 enable_if，否则会产生二义性。（如果其中一个 enable_if 的参数1为 true，那么返回值是 size_t，那么另外一个 enable_if 必然没有返回值，所以它会被排除在候选名单之外，假如另外一个函数拥有返回值，那么这个时候编译器将会不清楚应该调用哪个版本的函数，从而产生 error）

下面来试验一下：

std::vector<int> v = {4, 5, 6, 7};
char c = 'c';
std::cout << getSize(v) << std::endl;
std::cout << getSize(c) << std::endl;

输出结果：

obj has size
4
obj has no size
1

时间来到 C++11

我们在讲述 C++98 的解决方法的时候，已经说过太多次：许多东西到了 C++11 会有更好的解决办法。

现在我们终于可以介绍 C++11 了。

其实本来并没有 C++11，它最早的名字叫做 C++0x，因为人们坚信在二十一世纪的前十年 C++11 的标准就能够实现，然而实际上直到2011年，C++11 才正式发布。

C++11 为模板编程带来了许多的便利。

  • 首先是编译期表达式类型推导 decltype。
  • 接着是 std::declval，这是一个模板函数，它允许我们构造一个类型 T 的临时量，而无需我们提供参数对其构造。
  • 还有我们之前说过好多次的 constexpr，也是千呼万唤始出来。
  • std::enable_if，它进标准了。
  • 当然还有新的标准库头文件，type_traits，它为我们提供了许许多多方便的 traits，我们不需要再自己手动实现了。

在 C++11 中，我们将使用另外一个例子——判断一个类是否是可以比较大小的。(这里以小于号为例)

我们写一个类模板 isComparable：

template <typename T>
struct isComparable
{
    template <typename U>
    static constexpr bool test(decltype(std::declval<U>() < std::declval<U>()) *)
    { return true; }
​
    template <typename>
    static constexpr bool test(...) { return false; }
    // C++11 initializer list
    static constexpr bool value { test<T>(int()) };
};

在 test 的参数中用到了 decltype 和 std::declval。用 declval 来查询是否两个 U 类型的变量重载了（或者本身就拥有）operator<，如果拥有，则匹配成功，否则匹配失败，将会匹配可变长参数版本的 test。

C++11 版本下我们的许多操作变得更加符合直觉，实现也更加简洁明了。

试验：

class Test1
{
public:
    bool operator<(Test1);
};
​
class Test2
{ };
​
std::cout << isComparable<Test1>::value << std::endl; // 1
std::cout << isComparable<Test2>::value << std::endl; // 0

除此之外还有另一种方法：

template <typename T,
          typename = bool>
struct isComparable: std::false_type // 继承而来的 value 成员为 false，下面类似。
{ };
​
template <typename T>
struct isComparable<T, decltype(std::declval<T>() < std::declval<T>())>: std::true_type
{ };

第一个版本的 isComparable 默认参数一定要设为 bool，也就是 operator< 返回值的类型：

  • 当类模板有默认参数的时候，编译器会更加偏袒那个有默认参数的模板；
  • 当带有默认参数的模板与另外一个偏特化模板参数一致的时候，则会优先选择那个偏特化的版本。

于是当 [T = Test1]，偏特化版本模板的第二个参数也是 bool，于是选择了第二个偏特化版本的模板。

当 [T = Test2]，SFINAE 的规则让我们不得不选择第一个版本的模板。

C++14 泛型 lambda

C++14 让我们的匿名函数支持 auto 类型的参数。它的本质其实就是带有模板括号运算符的仿函数。

auto f = [] (auto x) { return x; };
​
// equivalent to:
struct Unnamed
{
    template <typename T>
    auto operator()(T x) { return x; }
} functor;

因此 SFINAE 的技术也能够适用于它。

我们可以用泛型 lambda 来实现袖珍版的 traits。

先上效果：

class A { };
​
class B
{
public:
    bool operator<(B const &) const { }
};
​
auto hasLess = is_valid([] (auto &&x) -> decltype(x < x) { });
std::cout << std::boolalpha;
std::cout << hasLess(43)  << std::endl;
std::cout << hasLess(A()) << std::endl;
std::cout << hasLess(B()) << std::endl;
​
auto comparableWith = is_valid([] (auto &&x, auto &&y) -> decltype(x < y) { });
std::cout << comparableWith(43, "Abc"s) << std::endl;
std::cout << comparableWith(43, 72.2)   << std::endl;
std::cout << comparableWith(B(), B())   << std::endl;
std::cout << comparableWith(A(), B())   << std::endl;

输出结果：

true
false
true
false
true
true
false

这个 is_valid 是个啥，好神奇。下面我们就来详细解释一下：

首先，它是一个工厂函数。产生 is_valid_impl 类型的对象。

template <typename F>
struct is_valid_impl
{
private:
    F _f;
​
    template <typename... Ts>
    static constexpr auto test(Ts&&... ts) -> decltype(_f(ts...), true)
    { return true; }
​
    // fallback
    static constexpr bool test(...)
    { return false; }
​
public:
    constexpr explicit is_valid_impl(F &&f): _f(f) { }
​
    template <typename... Us>
    constexpr auto operator()(Us&&... us)
    { return test(us...); }
};
​
template <typename F>
is_valid_impl<F> is_valid(F &&f)
{ return is_valid_impl<F>(std::forward<F>(f)); }

is_valid_impl 的工作原理：

  • 依靠 is_valid_impl 构造函数把仿函数对象 _f 初始化。
  • operator() 从调用时的实参列表推导出来 Us... 将运算委任给 test 函数。
  • 首先匹配第一个版本的 test，这个过程有 SFINAE 的参与：decltype 时，将形参代入 _f，而我们的 _f 形如：[] (auto &&x, auto &&y) -> decltype(x < y) { }，如果参数无法进行某些指定操作，或者参数长度不匹配，那么第一个版本的 test 被 SFINAE out。否则匹配成功，返回 true。
  • 匹配失败，这个时候就进入第二个版本的 test，其无论如何都会返回 false。

由于 C++14 参数推导还不够智能，所以我们这里不得不使用一个工厂函数来帮助我们推导 F 的类型，而在后续标准，我们可以不再需要这个工厂函数，而直接使用构造函数了。

C++17 void_t

C++17 引入了一个 类模板std::void_t，它可以干啥呢？接受一长串的类型，但自己永远是 void。它其实就是一个别名模板，长成这样：

template <typename...>
using void_t = void;

现在可以方便地使用 decltype + 逗号表达式，来完成一长串的判断，而无需判断返回值类型了（有的时候返回值类型是难以判断的，比如返回值类型带有模板参数）。

下面给出一个终极版 isComparable：

template <typename T,
          typename = void>
struct isComparable: std::false_type
{ };
​
template <typename T>
struct isComparable<T, std::void_t<decltype(std::declval<T>() < std::declval<T>(),
                                            std::declval<T>() > std::declval<T>(),
                                            std::declval<T>() >= std::declval<T>(),
                                            std::declval<T>() <= std::declval<T>(),
                                            std::declval<T>() == std::declval<T>(),
                                            std::declval<T>() != std::declval<T>())>>: std::true_type
{ };

C++20 concepts

如前言所说，C++20 概念库或给 SFINAE 的时代画上一个句号。那么我们也用概念重写的 isComparable 为本文画上一个句号。

template <typename T>
concept is_bool = std::is_convertible_v<T, bool>;
​
template <typename T>
concept isComparable =
  requires (T t)
{                            
    {t >  t} -> is_bool; {t <  t} -> is_bool;
    {t >= t} -> is_bool; {t <= t} -> is_bool;
    {t == t} -> is_bool; {t != t} -> is_bool;
};
​
template <typename T>
concept isNotComparable = !isComparable<T>;

我们可以这么使用：

// 使用不同的概念我们可以提供不同的重载函数版本（即便参数列表相同）
void foo(isComparable auto&&)
{
    std::cout << "is comparable" << std::endl;
}
​
void foo(isNotComparable auto&&)
{
    std::cout << "is not comparable" << std::endl;
}
​
class Test { };
​
foo(1);
foo(Test());

结果：

is comparable
is not comparable

当然我们可以把 concepts 和上面的那些类模板结合起来，用来做空基类优化，不过那就不是本文要讨论的内容了。

后记

尽管我曾在前言说过，我们毋须为 SFINAE 技术的退出而悲伤，但我认为 SFINAE 技术是老一代 C++ 工程师智慧的结晶。二十多年过去，C++ 标准从跛脚逐步开始走向完善，使用 C++ 抽象的方法日趋成熟，我想这其中不无他们的功劳。在模板技术发展的过程中，许多东西都事出偶然，然而如果没有前人的不懈尝试，这些偶然又怎会成为已经发生的必然？

当然，SFINAE 作为 C++ 本身的一个语言规则，它仍然会在底层发挥作用。不得不直接倚赖底层的东西去解决上层的问题，这是 C++ 过去的缺陷。

人们始终不停地在探索这个语言的极限，我想这才是 C++ 吸引人的地方。

如果这篇文章能给读者带来一丝启发，那就再好不过了。

参考

Jean Guegant: An introduction to C++’s SFINAE concept: compile-time introspection of a class member [https://jguegant.github.io/blogs/tech/sfinae-introduction.html] （我的 SFINAE 启蒙读物）

Offensive77

A little learning is a dangerous thing.

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