C++类型萃取

C++类型萃取

C++ 类型萃取（Type Traits）是 模板元编程 的核心工具之一，用于在 编译期分析和操纵类型信息。它们常用于 泛型编程 中，帮助我们写出更通用、类型安全的代码，特别是在 STL、标准库实现、SFINAE、concepts 等地方广泛使用。

一、类型萃取的核心思想

通过模板结构体和偏特化机制，在编译期对类型进行判断、提取、转换，比如：

• 判断一个类型是不是指针？
• 判断两个类型是否相同？
• 从 const int* 中去除 const 或指针修饰？
• 把某类型转换成引用？

二、常见标准类型萃取（<type_traits>）

1. 类型判断类模板（Type Property Checks）

判断一个类型是否满足某种特性，结果都提供一个静态成员变量 ::value。

Trait	说明	示例
std::is_integral<T>	是否为整型	std::is_integral<int>::value == true
std::is_floating_point<T>	是否为浮点类型	float, double
std::is_pointer<T>	是否为指针	int* 是
std::is_const<T>	是否为 const	const int 是
std::is_reference<T>	是否为引用	int&, int&& 是
std::is_array<T>	是否是数组	int[3] 是

✅ C++17 起也可以用 std::is_pointer_v<T> 简化书写。

2. 类型修改类模板（Type Modifiers）

这些萃取模板用于“去掉”或“添加”某些类型修饰。

Trait	功能	示例
std::remove_const<T>	移除 const 修饰	remove_const<const int>::type → int
std::remove_pointer<T>	移除指针	remove_pointer<int*>::type → int
std::add_const<T>	添加 const 修饰	add_const<int>::type → const int
std::decay<T>	衰变类型（去引用、去 const、数组转指针等）	int[3] → int*

3. 类型比较类模板（Type Relations）

Trait	功能	示例
std::is_same<T, U>	判断类型是否相同	is_same<int, int>::value == true
std::is_base_of<Base, Derived>	判断是否为基类	is_base_of<A, B>
std::is_convertible<T, U>	判断能否隐式转换	is_convertible<int, double>

三、自定义类型萃取（简化实现）

判断是否为指针类型的简化实现：

// 通用模板，默认情况下假设 T 不是指针类型
template<typename T>
struct is_pointer {
    static constexpr bool value = false;
};

// 偏特化版本：当 T 是指针类型（T*）时，特化这个模板
template<typename T>
struct is_pointer<T*> {
    static constexpr bool value = true;
};

使用：

std::cout << is_pointer<int>::value << std::endl;   // false
std::cout << is_pointer<int*>::value << std::endl;  // true

四、搭配 enable_if 使用

类型萃取 + std::enable_if 可用于 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）机制控制函数模板是否可用。

template<typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, T>::type
add_one(T val) {
    return val + 1;
}

这个函数只有在 T 是整型时才会参与编译。

五、C++20 Concepts 替代传统 SFINAE

C++20 引入了 concepts，使类型约束变得更清晰：

template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

template<Integral T>
T add_one(T x) {
    return x + 1;
}

六、实际应用场景

• STL 容器如 std::vector 优化不同类型的构造方式
• std::move_if_noexcept 等函数中用来判断是否应该移动或拷贝
• 自定义容器或算法模板时做类型检查

七、使用类型萃取来选择不同的函数实现

方案一：使用 std::enable_if + 类型萃取

#include <iostream>
#include <type_traits>  // 包含标准类型萃取和 enable_if

// 整型版本：当 T 是整型时启用该函数模板
template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value>::type
print_type_info(T val) {
    std::cout << val << " 是整数类型" << std::endl;
}
// 说明：
// std::enable_if<条件>::type 如果条件为 true，则有一个 typedef type = void，函数有效。
// 如果条件为 false，则该模板无 type 成员，编译失败，编译器忽略此重载。

// 浮点型版本：当 T 是浮点类型时启用该函数模板
template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value>::type
print_type_info(T val) {
    std::cout << val << " 是浮点类型" << std::endl;
}

// 默认版本：当 T 既不是整型也不是浮点型时启用该函数模板
template <typename T>
typename std::enable_if<!std::is_integral<T>::value && !std::is_floating_point<T>::value>::type
print_type_info(T val) {
    std::cout << "未知类型" << std::endl;
}
// 注意：
// enable_if 条件是逻辑非的组合，确保只有其他两个版本不满足时，才启用此函数。
// 三个版本利用 SFINAE 机制，根据类型选择合适的函数。

调用示例：

int main() {
    print_type_info(42);          // 整数类型
    print_type_info(3.14);        // 浮点类型
    print_type_info("hello");     // 未知类型
}

写法	条件满足时的 type	用途举例
enable_if<cond>::type	void	作为函数返回类型，用于启用/禁用函数（返回 void）
enable_if<cond, T>::type	T	函数返回类型是 T，同时满足条件启用

方案二（更现代）：使用 C++17 if constexpr（推荐）

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
void print_type_info(T val) {
    if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
        std::cout << val << " 是整数类型" << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_floating_point_v<T>) {
        std::cout << val << " 是浮点类型" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "未知类型" << std::endl;
    }
}

这个版本更清晰、易读、易维护，不依赖函数重载和 enable_if，在现代 C++ 中更受欢迎。

方案三：C++20 Concepts

#include <iostream>
#include <concepts>

template <std::integral T>
void print_type_info(T val) {
    std::cout << val << " 是整数类型" << std::endl;
}

template <std::floating_point T>
void print_type_info(T val) {
    std::cout << val << " 是浮点类型" << std::endl;
}

template <typename T>
void print_type_info(T val) {
    std::cout << "未知类型" << std::endl;
}

八、总结

分类	常用萃取
类型判断	is_integral, is_pointer, is_class
类型变换	remove_cv, decay, add_pointer
类型关系	is_same, is_base_of, is_convertible
工具类	enable_if, conditional, declval