[C++11札记]： type traits简介

可能对很多C++程序员而言，Type Traits并不陌生，它被大量应用在模板元编程中。从字面上理解，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。Type Traits有助于编写通用、可复用的代码。

可能这些描述有些虚，下面就通过简单的例子来说明Type Traits是如何改善我们的C++代码的。假设我们要实现一个针对16位、32位型或64位整数类型的字节交换的功能，借助于C++泛型编程，我们可以很容易的实现：

template <typename T>
T byte_swap( T value ) {
  unsigned char *bytes = reinterpret_cast< unsigned char * >( &value );
  for (size_t i = 0; i < sizeof( T ); i += 2) {
    // Take the value on the left and switch it 
    // with the value on the right
    unsigned char v = bytes[ i ];
    bytes[ i ] = bytes[ i + 1 ];
    bytes[ i + 1 ] = v;
  }
  return value;
}

如果传入32位的值0x11223344，返回值为0x22114433，如果传入16位的值0x1122，将返回0x2211。看起来这个功能实现的不错，但是 … 如果传入一个char类型的值呢？代码会因为访问到不属于自己的内存而引起程序崩溃。由于模板的泛型特性，我们也无法阻止用户传递这样类型的值。

为了处理用户传入的double和char类型的值，我们可以加入模板特化进行处理：

template <>
double byte_swap( double value ) {
  assert( false && "Illegal to swap doubles" );
  return value;
}

template <>
char byte_swap( char value ) {
  assert( false && "Illegal to swap chars" );
  return value;
}

这个特化处理可以处理传入的double和char类型的值，问题是，用户还可能传入float、unsigned char等类型。如果我们为每种类型都添加上特化处理，可以想象得到，代码会膨胀成怎样。

这个时候Type Traits可以派上用场了。Type Traits是在编译时获取有关作为模板参数传入的类型的信息的一种方式，因此我们可以做出更明智的决定。 Type Traits的典型用法如下：

• 使用一个模板化的结构，通常以的类型特征命名。例如is_integer，is_pointer，is_void等等
• 结构包含一个静态const bool命名值
• 我们可以对特征的结构进行特化，并且把它们的布尔值设置为一个合理的状态值
• 我们可以查询其值来使用类型特征，如：my_type_trait :: value

还是继续上面的例子来说明，我们可以通过定义一个类型特征来决定某个类型的值是否可交换：

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


template <>
struct is_swapable<unsigned short> {
  static const bool value = true;
};


template <>
struct is_swapable<short> {
  static const bool value = true;
};


template <>
struct is_swapable<unsigned long> {
  static const bool value = true;
};


template <>
struct is_swapable<long> {
  static const bool value = true;
};


template <>
struct is_swapable<unsigned long long> {
  static const bool value = true;
};


template <>
struct is_swapable<long long> {
  static const bool value = true;
};

这样我们只需在byte_swap函数中增加一行语句：

assert( is_swapable::value && "Cannot swap this type" );

这就是Type Traits的核心用法。然而，您可能还是有点不满意，这也加入了好多的代码。别着急，在C++11中加入了一个标准的STL头文件type_traits，里面包含了几乎所有数据类型的类型特征，它可以告诉数据的基本类型、是否指针、是否数组等等。大多数情况下，我们可以直接使用内置的类型特征。

此外C++11还引入了一个新的static_assert函数，它可以在编译时就检查出错误。如果我们使用C++11改写上面的byte_swap，代码如下：

static_assert( std::is_integral< T >::value && sizeof( T ) >= 2, "Cannot swap values of this type" );

这其中is_integral是C++11标准的一部分，而static_assert在编译阶段就可以引发断言错误，这可以避免传递不合适的值给byte_swap函数。

此外，我们还可以利用其它的类型特征来编写type traits，比如前面的is_swapable就可以这样写：

template <typename T>
struct is_swapable {
  static const bool value = std::is_integral< T >::value && sizeof( T ) >= 2;
};

现在，您应该对Type Traits有了基本的了解了吧？

参考：

1. A simple introduction to type traits
2. C++11标准库之Type Traits简介