突破编程_C++_C++11新特性（type_traits的概念以及核心类型特性）

1 type_traits 的概述

type_traits 是 C++ 标准模板库（STL）中的一个头文件，它定义了一系列模板类，这些模板类在编译期获取某一参数、某一变量、某一个类等的类型信息，主要用于进行静态检查。通过使用 type_traits，程序员可以在编译时就获得关于类型的详细信息，从而可以在不实际运行程序的情况下进行类型相关的优化和检查。

type_traits 中的内容主要可以分为以下几类：

  • 辅助基类：如 std::integral_constant 以及其特化 true_type 和 false_type，这些类用于创建编译器常量，同时也是类型萃取类模板的基类。
  • 类型萃取类模板：这些模板类用于在编译期以常量的形式获取类型特征。例如，std::is_integral 用于检查一个类型是否为整数类型，std::is_floating_point 用于检查一个类型是否为浮点类型，std::is_base_of 用于检查一个类型是否是另一个类型的基类等。这些模板类主要用来进行类型属性的判断。
  • 类型转换类模板：这些模板类用于通过执行特定操作从已有类型获得新类型。例如，std::add_const 用于给类型添加 const 限定符，std::remove_volatile 用于移除类型的 volatile 限定符等。

type_traits 的主要作用包括：

  • 在编译期对类型进行属性检查和转换，避免了运行时的类型检查和转换开销。
  • 使得模板编程更加灵活和安全，可以在模板实例化之前根据类型属性选择不同的实现。
  • 为 STL 中的算法和容器提供了类型相关的支持，例如，STL 中的算法通过迭代器存取容器内容，而 type_traits 可以协助算法根据迭代器类型或容器类型选择不同的策略。

在 C++11 给出 type_traits 之前，对于类型处理有很多非常不方便的地方：

（1）类型信息的缺失： C++ 是一种静态类型语言，这意味着在编译时，每个变量和表达式都必须有明确的类型。然而，标准 C++ 并没有提供一个直接的机制来获取和操作这些类型信息。在没有 type_traits 的情况下，程序员通常需要手动跟踪和处理类型信息，这既繁琐又容易出错。

（2）模板元编程的复杂性： C++ 的模板元编程是一种在编译期进行计算和类型操作的技术。然而，由于缺乏 type_traits 这样的工具，模板元编程变得异常复杂和难以维护。程序员需要手动编写大量的模板特化和递归代码，以处理各种类型情况。这不仅增加了开发难度，也降低了代码的可读性和可维护性。

（13）类型安全和泛型编程的限制： 在泛型编程中，我们通常需要编写能够处理多种类型的代码。然而，在没有 type_traits 的情况下，我们很难在编译期对类型进行严格的检查和约束。这可能导致类型不安全的代码，例如，错误地将一个浮点数传递给期望整数的函数。此外，由于缺乏类型萃取和转换的工具，泛型编程的灵活性也会受到限制。

（4）性能优化的挑战： 在某些情况下，我们需要根据类型信息来优化代码的性能。例如，对于某些特定的类型，我们可能希望使用特定的算法或数据结构。然而，在没有 type_traits 的情况下，这种优化变得非常困难。我们需要编写复杂的条件编译代码，或者使用运行时类型信息（RTTI）来动态地选择实现。这些方法要么增加了编译的复杂性，要么引入了额外的运行时开销。

type_traits 的出现极大地缓解了这些挑战。它提供了一套丰富的工具，使得程序员可以在编译期获取和操作类型信息，从而简化了模板元编程，提高了类型安全性，并使得性能优化变得更加容易。通过使用 type_traits，可以编写更加灵活、安全和高效的 C++ 代码。

2 type_traits 核心类型特性

2.1 std::is_same

std::is_same 是一个模板类，用于检查两个类型是否相同。其定义如下：

template< class T, class U >  
struct is_same;

当 T 和 U 指名同一类型（考虑 const 和 volatile 限定）时，is_same<T, U>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha; // 输出 true 或 false 而不是 1 或 0  std::cout << "int and int are " << std::is_same<int, int>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int and float are " << std::is_same<int, float>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.2 std::is_integral

std::is_integral 是一个模板类，用于检查一个类型是否为整数类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_integral;

当 T 为整数类型时，is_integral<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "int is " << std::is_integral<int>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "double is " << std::is_integral<double>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.3 std::is_floating_point

std::is_floating_point 是一个模板类，用于检查一个类型是否为浮点类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_floating_point;

当 T 为 float、double 或 long double（包括任何 cv 限定变体）时，is_floating_point<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "float is " << std::is_floating_point<float>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_floating_point<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.4 std::is_array

std::is_array 是一个模板类，用于检查一个类型是否为数组类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_array;

当 T 为数组类型时，is_array<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "int[5] is " << std::is_array<int[5]>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_array<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.5 std::is_pointer

std::is_pointer 是一个模板类，用于检查一个类型是否为指针类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_pointer;

当 T 为指针类型时，is_pointer<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {std::cout << std::boolalpha;std::cout << "int* is " << std::is_pointer<int*>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_pointer<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;
}

2.6 std::is_reference

std::is_reference 是一个模板类，用于检查一个类型是否为引用类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_reference;

当 T 为引用类型时，is_reference<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "int& is " << std::is_reference<int&>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_reference<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.7 std::is_void

std::is_void 是一个模板类，用于检查一个类型是否为 void 类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_void;

当 T 为 void 类型时，is_void<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "void is " << std::is_void<void>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_void<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.8 std::is_const

std::is_const 是一个模板类，用于检查一个类型是否为常量类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_const;

当 T 为常量类型时，is_const<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "const int is " << std::is_const<const int>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_const<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.9 std::is_volatile

std::is_volatile 是一个模板类，用于检查一个类型是否为易变类型。其定义如下：

template< class T >  
struct is_volatile;

当 T 为易变类型时，is_volatile<T>::value 为 true，否则为 false。

样例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  int main() {  std::cout << std::boolalpha;  std::cout << "volatile int is " << std::is_volatile<volatile int>::value << '\n'; // 输出 true  std::cout << "int is " << std::is_volatile<int>::value << '\n'; // 输出 false  return 0;  
}

2.10 其他类型

除了上面介绍的类型，type_traits 还有如 std::is_signed （检查类型是否有符号）、std::is_unsigned （检查类型是否无符号）、std::is_arithmetic （ 检查类型是否为算术类型（整数或浮点数））等基础核心类型，具体的可以查看 C++ 标准中的类型说明。也可以通过查看头文件 <type_traits> 获得。

3 使用核心类型特性实现泛型编程中的条件编译

在 C++11 中，可以使用模板特化或者 std::enable_if 来实现类似条件编译的效果。下面是一个使用 std::is_same 和 std::is_integral 以及 std::enable_if 来实现泛型编程中条件编译的实例：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  // 泛型函数模板，用于非整数类型  
template<typename T, typename = void>
void print_type_info(T value, typename std::enable_if<!std::is_integral<T>::value>::type* = nullptr) {std::cout << "Value is of a non-integral type." << std::endl;
}// 对 int 类型特化的版本  
template<typename T>
void print_type_info(T value, typename std::enable_if<std::is_same<T, int>::value>::type* = nullptr) {std::cout << "Value is of type int with value: " << value << std::endl;
}// 对整数类型特化的版本，但排除 int  
template<typename T>
void print_type_info(T value, typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value && !std::is_same<T, int>::value>::type* = nullptr) {std::cout << "Value is of an integral type (non-int) with value: " << value << std::endl;
}int main() {// 调用 print_type_info 模板函数，传入不同类型的值  print_type_info(12); // 调用 int 特化的版本  print_type_info(3.14f); // 调用非整数类型特化版本  print_type_info(static_cast<long long>(1234567890123456789)); // 调用整数类型特化的版本（排除 int）  return 0;
}

上面代码的输出为：

Value is of type int with value: 12
Value is of a non-integral type.
Value is of an integral type (non-int) with value: 1234567890123456789

这个例子定义了三个版本的 print_type_info 函数模板：

  • 一个非特化的版本，它接受非整数类型的参数 T，并打印一个通用消息。
  • 一个对 int 类型特化的版本，它只接受 int 类型的参数，并打印 int 类型的特定消息。
  • 一个对整数类型（除了 int）特化的版本，它接受任何整数类型（除了 int）的参数，并打印整数类型的特定消息。

std::enable_if 用于在编译时启用或禁用模板函数的不同特化版本。std::enable_if 的第二个模板参数是一个类型，当该类型存在时，模板会被启用；当该类型为 void 时，模板会被禁用。std::is_same<T, int>::value 和 std::is_integral<T>::value 用于在编译时检查类型。

4 使用核心类型特性实现类型安全的容器

下面是一个简单的类型安全整数容器的例子，它只允许存储整数类型，并且可以使用 std::is_same 来确保不添加与容器定义类型相同的类型：

#include <iostream>  
#include <type_traits>  
#include <vector>  
#include <stdexcept>  // 类型安全的整数容器  
template<typename T>
class TypeSafeIntegerContainer {
public:static_assert(std::is_integral<T>::value, "TypeSafeIntegerContainer can only hold integral types.");// 添加元素到容器中  template<typename U, typename = std::enable_if<std::is_integral<U>::value && !std::is_same<U, T>::value>>void add(U value) {// 检查新类型是否与 T 类型相同  static_assert(!std::is_same<U, T>::value, "Cannot add the same type to the container.");data.push_back(static_cast<T>(value));}// 获取容器中所有元素的数量  size_t size() const {return data.size();}// 打印容器中所有元素的值  void print() const {for (const auto& elem : data) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;}private:std::vector<T> data; // 存储整数类型的容器  
};int main() 
{TypeSafeIntegerContainer<int> intContainer;// 添加不同类型的整数到容器中  intContainer.add(10L); // OK, long is converted to int  intContainer.add(20LL); // OK, long long is converted to int  intContainer.add(30U); // OK, unsigned int is converted to int  // 尝试添加相同类型的整数会导致编译错误  // intContainer.add(40); // 编译错误: Cannot add the same type to the container.  // 打印容器中的元素  intContainer.print(); // 输出: 10 20 30   // 尝试创建一个存储非整数类型的容器会导致编译错误  // TypeSafeIntegerContainer<std::string> stringContainer; // 编译错误: TypeSafeIntegerContainer can only hold integral types.  return 0;
}

上面代码的输出为：

10 20 30

在这个例子中，TypeSafeIntegerContainer 是一个模板类，它接受一个整数类型 T 作为模板参数。它有一个 add 成员函数模板，该函数模板只接受与 T 不同且为整数类型的参数。样例使用 std::enable_if_t 和 std::is_integral 来确保这一点。

这个例子还使用 static_assert 来确保在实例化 TypeSafeIntegerContainer 时，T 是一个整数类型，以及在调用 add 方法时，新类型 U 不与 T 相同。如果尝试添加与 T 类型相同的类型，或者尝试存储非整数类型，都会导致编译错误。

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