Pull to refresh

Концепты для отчаявшихся

Programming *C++ *

Всё началось с того, что мне понадобилось написать функцию, принимающую на себя владение произвольным объектом. Казалось бы, что может быть проще:


template <typename T>
void f (T t)
{
    // Завладели экземпляром `t` типа `T`.
    ...

    // Хочешь — переноси.
    g(std::move(t));

    // Не хочешь — не переноси.
    ...
}

Но есть один нюанс: требуется, чтобы принимаемый объект был строго rvalue. Следовательно, нужно:


  1. Сообщать об ошибке компиляции при попытке передать lvalue.
  2. Избежать лишнего вызова конструктора при создании объекта на стеке.

А вот это уже сложнее сделать.


Поясню.


Требования к входным аргументам


Допустим, мы хотим обратного, то есть чтобы функция принимала только lvalue и не компилировалась, если ей на вход подаётся rvalue. Для этого в языке присутствует специальный синтаксис:


template <typename T>
void f (T & t);

Такая запись означает, что функция f принимает lvalue-ссылку на объект типа T. При этом заранее не оговариваются cv-квалификаторы. Это может быть и ссылка на константу, и ссылка на неконстанту, и любые другие варианты.


Но ссылкой на rvalue она быть не может: если передать в функцию f ссылку на rvalue, то программа не скомпилируется:


template <typename T>
void f (T &) {}

int main ()
{
    auto x = 1;
    f(x); // Всё хорошо, T = int.

    const auto y = 2;
    f(y); // Всё хорошо, T = const int.

    f(6.1); // Ошибка компиляции.
}

Может, есть синтаксис и для обратного случая, когда нужно принимать только rvalue и сообщать об ошибке при передаче lvalue?


К сожалению, нет.


Единственная возможность принять rvalue-ссылку на произвольный объект — это сквозная ссылка (forwarding reference):


template <typename T>
void f (T && t);

Но сквозная ссылка может быть ссылкой как на rvalue, так и на lvalue. Следовательно, нужного эффекта мы пока не добились.


Добиться нужного эффекта можно при помощи механизма SFINAE, но он достаточно громоздкий и неудобный как для написания, так и для чтения:


#include <type_traits>

template <typename T,
    typename = std::enable_if_t<std::is_rvalue_reference<T &&>::value>>
void f (T &&) {}

int main ()
{
    auto x = 1;
    f(x); // Ошибка компиляции.

    f(std::move(x)); // Всё хорошо.

    f(6.1); // Всё хорошо.
}

А чего бы на самом деле хотелось?


Хотелось бы вот такой записи:


template <typename T>
void f (rvalue<T> t);

Думаю, смысл данной записи выражен достаточно чётко: принять произвольное rvalue.


Первая мысль, которая приходит в голову, — это создать псевдоним типа:


template <typename T>
using rvalue = T &&;

Но такая штука, к несчастью, не сработает, потому что подстановка псевдонима происходит до вывода типа шаблона, поэтому в данной ситуации запись rvalue<T> в аргументах функции полностью эквивалентна записи T &&.


Скрытый текст

Забавно, что из-за ошибки в системе вывода типов компилятора Clang (версию точно не помню, кажется, 3.6) этот вариант "сработал". В компиляторе GCC этой ошибки не было, поэтому поначалу мой затуманенный безумной идеей разум решил, что ошибка не в Кланге, а в Гэцэцэ. Но, проведя, небольшое расследование, я понял, что это не так. А через некоторое время и в Кланге эту ошибку исправили.


Ещё одна идея — по сути, аналогичная, — которая может прийти в голову знатоку шаблонного метапрограммирования — это написать следующий код:


template <typename T>
struct rvalue_t
{
    using type = T &&;
};

template <typename T>
using rvalue = typename rvalue_t<T>::type;

К структуре rvalue_t можно было бы припилить SFINAE, которое отваливалось бы, если бы T было ссылкой на lvalue.


Но, к сожалению, эта идея также обречена на провал, потому что такая структура "ломает" механизм вывода типов. В результате функцию f вообще будет невозможно вызвать без явного указания аргумента шаблона.


Я очень расстроился и на время забросил эту идею.


Возвращение


В начале этого года, когда появилась новость о том, что комитет не включил концепты в стандарт C++17, я решил вернуться к заброшенной идее.


Немного поразмыслив, я сформулировал "требования":


  1. Должен работать механизм вывода типа.
  2. Должна быть возможность натравливать SFINAE-проверки на выводимый тип.

Из первого требования немедленно следует, что нужно всё-таки использовать псевдонимы типов.


Тогда возникает закономерный вопрос: можно ли натравливать SFINAE на псевдонимы типов?


Оказывается, можно. И выглядеть это будет, например, следующим образом:


template <typename T,
    typename = std::enable_if_t<std::is_rvalue_reference<T &&>::value>>
using rvalue = T &&;

Наконец-то получаем и требуемый интерфейс, и требуемое поведение:


template <typename T>
void f (rvalue<T>) {}

int main ()
{
    auto x = 1;
    f(x); // Ошибка компиляции.

    f(std::move(x)); // Всё хорошо.

    f(6.1); // Всё хорошо.
}

Победа.


Концепты


Внимательный читатель негодует: "Так где же тут концепты-то?".


Но если он не только внимательный, но ещё и сообразительный, то быстро поймёт, что эту идею можно использовать и для "концептов". Например, следующим образом:


template <typename I,
    typename = std::enable_if_t<std::is_integral<I>::value>>
using Integer = I;

template <typename I>
void g (Integer<I> t);

Мы создали функцию, которая принимает только целочисленные аргументы. При этом получившийся синтаксис достаточно приятен и пишущему, и читающему.


int main ()
{
    g(1); // Всё хорошо.
    g(1.2); // Ошибка компиляции.
}

Что ещё можно сделать?


Можно попытаться ещё больше приблизиться к истинному синтаксису концептов, который должен выглядеть следующим образом:


template <Integer I>
void g (I n);

Для этого воспользуемся, кхм, макроснёй:


#define Integer(I) typename I, typename = Integer<I>

Получим возможность писать следующий код:


template <Integer(I)>
void g (I n);

На этом возможности данной техники, пожалуй, заканчиваются.


Недостатки


Если вспомнить название статьи, то можно подумать, что у этой техники есть какие-то недостатки.


Таки да. Есть.


Во-первых, она не позволяет организовать перегрузку по концептам.
Компилятор не увидит разницы между сигнатурами функций


template <typename I>
void g (Integer<I>) {}

template <typename I>
void g (Floating<I>) {}

и будет выдавать ошибку о переопределении функции g.


Во-вторых, невозможно одновременно проверить несколько свойств одного типа. Вернее, возможно, но придётся городить достаточно сложные конструкции, которые сведут на нет всю удобочитаемость.


Выводы


Приведённая техника — назовём её техникой фильтрующего псевдонима типов — имеет достаточно ограниченную область применения.


Но в тех случаях, когда она применима, она открывает программисту достаточно неплохие возможности для чёткого выражения намерения в коде.


Считаю, что она имеет право на жизнь. Лично я пользуюсь. И не жалею.


Ссылки по теме


  1. Библиотека "Boost Concept Check"
  2. Концепты из прототипа библиотеки диапазонов "range-v3"
  3. Библиотека "TICK"
  4. Статья "Concepts Without Concepts"
Tags:
Hubs:
Total votes 39: ↑37 and ↓2 +35
Views 22K
Comments Comments 53