STL中的Concept和Boost库的Concept_Check

在Generic Programming当中，一个重要的概念就是Concept（滑稽的是，如果把这个Concept也翻译成“概念”，那就狗屁不通了。我倾向于说它是“操作集”）。Concept就是一组操作，如果一个type具有这些操作，那么就说这个type是这个Concept的一个model。
这其中的思想有那么一丁点像是OO当中的interface，一个class如果实现了一个interface，那么它就可以被当作这个interface来用。同样，如果一个type是一个Concept的model，那么所有接受这个Concept的操作也就可以接受这个type。

例如，在STL中，stable_sort这个算法必须接受RandomAccessIterator，这里RandomAccessIterator就是一个Concept，它规定自己的model必须可以进行下标运算，那么不满足这个Concept的type就无法被编译器接受（搞笑的是我在VC71里面把list<int> 的iterator传给stable_sort，它居然欣然接受，要知道list的iterator应该只是一个BidirectionalIterator 啊，比RandomAccessIterator弱多了。不过仔细看看代码，发现VC71的stable_sort接受BidirectionalIterator就够了，不知道是好还是坏）。在gcc下面如果传递一个BidirectionalIterator给stable_sort，会得到一堆不知所云的错误提示，让人摸不着头脑。

C++语言本身并没有对于Concept的直接支持，STL解决这个问题的办法是用了一些traits来限制iterator的特性，以达到在编译时期检查Concept的目的。但是traits导致的编译错误提示实在是太可怕了，我非常怀疑有哪个正常人可以从这些错误提示推测出自己错在哪里。

在boost库里面，提供了一个ConceptCheck库，它可以帮助我们写出带有Concept检查的代码，而且没有运行时的开销，一旦用户违反Concept限制，输出的错误提示也比较好懂。举个例子先，如果STL里面有ConceptCheck，那么它的stable_sort大约会这样：

#include <boost/concept_check.hpp>

template <class RandomAccessIter>
void stable_sort(RandomAccessIter first, RandomAccessIter last)
{
function_requires< RandomAccessIteratorConcept<RandomAccessIter> >();
//... bla bla bla......
}

有了这个 function_requires ，如果再传递给它list的iterator，编译器（VC71）就会报这样的错：

---

c:\boost_1_31_0\boost\concept_check.hpp(642): error C2676: 二进制“+=” : “std::list<_Ty>::iterator”不定义该运算符或到预定义运算符可接收的类型的转换
with
[
_Ty=int
]

---

当然还有很多别的，但是至少它说了一点：传入的iterator不满足某个运算。这对于用户来说，应当是一个很有用的提示。
使用Concept Check还有一个额外的好处，那就是调用一个 function_requires可远比写一些traits容易，而且代码也清晰好维护。

这个好用的 function_requires 就定义在concept_check.hpp当中：
template <class Concept>
inline void function_requires(mpl::identity<Concept>* = 0)
{
#if !defined(NDEBUG)
void (Concept::*x)() = BOOST_FPTR Concept::constraints;
ignore_unused_variable_warning(x);
#endif
}

换句话说，function_requires只在Debug中起作用，那么是不是在Debug当中它就添加了overhead呢？其实也没有，仔细看看代码：
void (Concept::*x)() = BOOST_FPTR Concept::constraints;
这一句取constraints的地址。妙就妙在它让编译器“注意到”constraints，但又没有真正调用constraints，而constraints是一个虚函数，做实际的check。例如在RandomAccessIteratorConcept（检查iterator是否符合RandomAccessIterator的Concept）当中，constraint是这个样子：

template <class TT>
struct RandomAccessIteratorConcept
{
void constraints() {
function_requires< BidirectionalIteratorConcept<TT> >();
function_requires< ComparableConcept<TT> >();
#ifndef BOOST_NO_STD_ITERATOR_TRAITS
typedef typename std::iterator_traits<TT>::iterator_category C;
function_requires< ConvertibleConcept< C,
std::random_access_iterator_tag> >();
typedef typename std::iterator_traits<TT>::reference R;
#endif

i += n; // require assignment addition operator
i = i + n; i = n + i; // require addition with difference type
i -= n; // require assignment subtraction operator
i = i - n; // require subtraction with difference type
n = i - j; // require difference operator
(void)i[n]; // require element access operator
}
TT a, b;
TT i, j;
#ifndef BOOST_NO_STD_ITERATOR_TRAITS
typename std::iterator_traits<TT>::difference_type n;
#else
std::ptrdiff_t n;
#endif
};

从这个实现中我们完全可以读出RandomAccessIterator的具体含义：
1. 它必须是一个BidirectionalIterator
2. 它必须满足“可比较 (Comparable)”的Concept
3. 它还必须满足“可转换 (Convertible)”的Concept，而且是转换成自己的iterator_category类别
4. 它必须定义了reference这个type
5. 这是最重要的，它必须有difference_type，而且可以进行 +, -, +=, -= 的运算
还要记得，由于这个函数没有真正的被调用过，所以无论你怎么写，它都不会变成实际的代码，所以也不会影响运行效率的！

boost库除了提供了一系列的Concept Check以外，也鼓励我们自己写Concept Check，至于写法，从这个RandomAccessIteratorConcept的写法，大家也可以看出些端倪了：很简单的。