C++11标准库之Type Traits简介

虽然可以追溯到TR1及boost库中，Type Traits在C++11的标准库中才被C++语言正式引入的。直接地翻译，Type Traits就是“类型的特征”的意思。在C++元编程中，程序员不少时候都需要了解一些类型的特征信息，并根据这些类型信息选择应有的操作。

在《深入理解C++11》一书中，我们就常使用Type Traits来判断类型的特性。比如：

#include 
template
constexpr bool is_pod(T) {
    return std::is_pod::value;
}

这里就定义了一个名为is_pod的函数模板。该函数模板只是type_traits中模板类is_pod的简单包装。通过该函数，我们可以判断一个类型的数据是否为POD类型的：

int main(){
    int a;
    std::cout << is_pod(a) << std::endl;
}

值得注意的是，Type Traits是用于元编程中的元素，而且我们的函数表达式使用了constexpr进行修饰，那么这就意味着程序员可以在编译时期就获得is_pod返回的值。在本例中，我们获得的值为true（1），那么上面的main函数在运行时的代码将与：

int main(){
    std::cout << 1 << std::endl;
}

等价。

在C++11标准（也是TR1）的提案中（N1424），语言设计者在头文件中定义了大量如上的Type Traits。下表摘自http://en.cppreference.com/w/cpp/types：

Primary type categories
is_void (C++11)	checks if a type is void  (class template)
is_integral (C++11)	checks if a type is integral type  (class template)
is_floating_point (C++11)	checks if a type is floating-point type  (class template)
is_array (C++11)	checks if a type is an array type  (class template)
is_enum (C++11)	checks if a type is an enumeration type  (class template)
is_union (C++11)	checks if a type is an union type  (class template)
is_class (C++11)	checks if a type is a class type (but not union type)  (class template)
is_function (C++11)	checks if a type is a function type  (class template)
is_pointer (C++11)	checks if a type is a pointer type  (class template)
is_lvalue_reference (C++11)	checks if a type is lvalue reference  (class template)
is_rvalue_reference (C++11)	checks if a type is rvalue reference  (class template)
is_member_object_pointer (C++11)	checks if a type is a pointer to a non-static member object  (class template)
is_member_function_pointer (C++11)	checks if a type is a pointer to a non-static member function  (class template)

这里我们只摘取了一部分。在最初的设计中，C++语言设计者为的Type Traits进行了简单的分类。不过在后来的语言标准中，Type Traits也几经修正演化，也不是由一个文档能够观察全貌的。所幸的是上面的链接应该提供了最新的Type Traits的内容。

除去判断类型的特性，中我们也可以找到is_same这样的比较两个类型是否相等的类模板，以及enable_if这样的根据bool值选择类型的类模板，读者可以从上面链接中寻找其使用方式。

而从实现上讲，这些Type Traits通常是通过模板特化的元编程手段来完成的，比如在g++ 4.8.1的头文件中我们可以找到以下代码：

  /// is_const
  template
    struct is_const
    : public false_type { };    // 版本 1

  template
    struct is_const<_Tp const>
    : public true_type { };    // 版本 2

这里的false_type和true_type则是两个helper class，其定义如下：

  /// integral_constant
  template
    struct integral_constant
    {
      static constexpr _Tp                  value = __v;
      typedef _Tp                           value_type;
      typedef integral_constant<_Tp, __v>   type;
      constexpr operator value_type() { return value; }
    };

  template
    constexpr _Tp integral_constant<_Tp, __v>::value;

  /// The type used as a compile-time boolean with true value.
  typedef integral_constant     true_type;

  /// The type used as a compile-time boolean with false value.
  typedef integral_constant    false_type;

如果不想细看代码，也可以简单地说，true_type和false_type就是包含一个静态类成员value的类模板，其静态成员一个为true，一个为false，仅此而已。这样一来，通过特化，如果我们使用const类型作为模板is_const类型参数，则可以获得其常量静态成员value的值为true（1）。这是因为模板在实例化的时候选择了“版本2”。反过来，如果模板实例化到“版本1”，则value常量静态成员为false（0）。如下例所示：

#include 
#include 

int main(){
    int a;
    const int b = 3;
    std::cout << std::is_const::value << std::endl;    // 1
    std::cout << std::is_const::value << std::endl;    // 0
}

此外，还有一点值得指出，并非所有的Type Traits都能够使用上面的元编程的手段来实现。C++语言设计者在实践中进行了一些考量，让部分的Type Traits实现为了intrinsic，简单地说，就是要编译器辅助来计算出其值。我们可以看看g++4.8.1中POD的定义：

  /// is_pod
  // Could use is_standard_layout && is_trivial instead of the builtin.
  template
    struct is_pod
    : public integral_constant
    { };

这里的__is_pod就是编译器内部的intrinsic。事实上，在C++11中，编译器必须辅助实现很多Type Traits的模板类，C++11标准中这些Type Traits模板类如下所示：

template  struct is_class;
template  struct is_union;
template  struct is_enum;
template  struct is_polymorphic;
template  struct is_empty;
template  struct has_trivial_constructor;
template  struct has_trivial_copy;
template  struct has_trivial_assign;
template  struct has_trivial_destructor;
template  struct has_nothrow_constructor;
template  struct has_nothrow_copy;
template  struct has_nothrow_assign;
template  struct is_pod;
template  struct is_abstract;

总的来说，Type Traits就是通过元编程的手段，以及编译器的辅助来实现的。