C++类型特征的用法（附带实例）

模板元编程是语言的一个强大特性，它使我们能够编写和重用适用于所有类型的通用代码。然而，在实践中，对于不同的类型，由于意图、语义正确性、性能或其他原因，通用代码通常需要以不同的方式工作，或者根本不工作。

例如，你可能希望针对 POD 类型和非 POD 类型实现不同的通用算法，或者希望仅用整型实例化函数模板。C++11 提供了一组类型特征（type traits）来帮助实现这一点。

类型特征基本上是提供其他类型信息的元类型。类型特征库包含一长串特征，它们用于获取类型属性（例如检查类型是否是整型或两个类型是否想同），也用于执行类型转换（例如删除 const 和 volatile 限定符或添加指向类型的指针）。

在本节中，我们将研究类型特征是什么以及它们是如何工作的。

C++类型特征的使用

C++11 引入的所有类型特征都能在 <type_traits> 头文件的 std 命名空间中找到。下面列出了使用类型特征来实现各种设计目标的各种情况：

1) 使用 enable_if 为类型定义前置条件，函数模板可以使用这些类型实例化：

template <typename T,typename = typename std::enable_if_t<std::is_arithmetic_v<T> > >
T multiply(T const t1, T const t2)
{
    return t1 * t2;
}

auto v1 = multiply(42.0, 1.5);    // OK
auto v2 = multiply("42"s, "1.5"s); // error

2) 使用 static_assert 确保满足不变量：

template <typename T>
struct pod_wrapper
{
    static_assert(std::is_standard_layout_v<T> && std::is_trivial_v<T>, "Type is not a POD!");

    T value;
};

pod_wrapper<int> if 42 };    // OK
pod_wrapper<std::string> s{ "42"s }; // error

3) 使用 std::conditional 在类型之间进行选择：

template <typename T>
struct const_wrapper
{
    typename std::conditional_t <std::is_const_v<T>, T, typename std::add_const_t<T>> const_type;
};

static_assert(std::is_const_v<const_wrapper<int>::const_type>);

static_assert(std::is_const_v<const_wrapper<int const>::const_type>);

4) 使用 constexpr if 使编译器能够根据实例化模板的类型生成不同的代码：

template <typename T>
auto process(T arg)
{
    if constexpr (std::is_same_v<T, bool>)
        return !arg;
    else if constexpr (std::is_integral_v<T>)
        return std::abs(arg);
    else
        return arg;
}

auto v1 = process(false); // v1 = true
auto v2 = process(42);   // v2 = -42
auto v3 = process(-42.0); // v3 = 42.0
auto v4 = process("42"s); // v4 = "42"

C++类型特征的工作原理

类型特征是提供关于类型的元信息或可用于修改类型的类。实际上有两种类型特征：

提供关于类型、类型属性或类型关系的信息的类型特征（如 is_integer、is_arithmetic、is_array、is_enum、is_class、is_const、is_trivial、is_standard_layout、is_constructible、is_same 等），这些特征提供了一个称为 value 的 bool 常量成员。
修改类型属性的类型特征（如 add_const、remove_const、add_pointer、remove_pointer、make_signed、make_unsigned 等），这些特征提供了一个名为 type 的成员 typedef，它表示转换后的类型。

为了方便起见，这里提供了一个简短的摘要：

在第一个例子中，函数模板 multiply() 只允许用算术类型（即整型或浮点型）实例化，当使用不同类型的类型实例化时，enable_if 没有定义名为 type 的 typedef 成员，这会产生编译错误。
在第二个例子中，pod_wrapper 是一个类模板，它应该只使用 POD 类型进行实例化。如果使用非 POD 类型（要么是非 trivial 类型，要么是非标准布局类型），static_assert 声明将产生编译错误。
在第三个例子中，const_wrapper 是一个类模板，它提供了一个名为 const_type 的 typedef 成员，该成员表示一个常量限定类型。
在本例中，我们使用 std::conditional 于编译时在两种类型之间进行选择：如果类型形参 T 已经是常量类型，那么只选择 T；否则，使用 add_const 类型特征用 const 说明符限定类型。
在第四个例子中，process() 是包含一系列 if constexpr 分支的函数模板。根据类型的类别，在编译时使用各种类型特征（is_same_v、is_integer、is_floating_point）获取，编译器只选择一个分支放入生成的代码中，将其余的丢弃。因此，像 process(42) 这样的调用会产生如下函数模板的实例化代码：

int process(int arg)
{
    return -arg;
}

类型特征是通过提供类模板和它的部分特化或完整特化来实现的。下面表示一些类型特征的概念实现：
1) is_void() 方法指示类型是否为 void。这使用了完整特化：

template <typename T>
struct is_void
{ static const bool value = false; };

template <>
struct is_void<void>
{ static const bool value = true; };

2) is_pointer() 方法指示类型是指向对象的指针还是指向函数的指针，这使用了部分特化：

template <typename T>
struct is_pointer
{ static const bool value = false; };

template <typename T>
struct is_pointer<T*>
{ static const bool value = true; };

需要注意的是，在 C++20 中，POD 类型的概念已被弃用，这也包括对 std::is_pod 类型特征的弃用。POD 类型是一种类型，它既是 trivial 类型（具有编译器提供的或显式默认的特殊成员，并占用连续的内存区域），又是标准布局类型（不包含语言特性的类，例如与 C语言不兼容的虚函数，并且所有成员具有相同的访问控制机制）。

因此，从 C++20 开始，更细粒度的 trivial 类型和标准布局类型概念是首选，这也意味着不应该再使用 std::is_pod，而应该分别使用 std::is_trivial 和 std::is_standard_layout。

C++类型特征的用法（附带实例）

C++类型特征的使用

C++类型特征的工作原理

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