eoanermine 16 мар 2023 в 17:59

Краткий обзор нововведений C++23: deducing this

Средний

6 мин

20K

Обзор

Документ «deducing this», принятый в последний стандарт C++, вводит новый, третий тип методов классов, сочетающий в себе свойства двух уже существующих: нестатических и статических, открывающий перед нами новые горизонты:

Дедупликация большого количества кода.
Вытеснение CRTP (Curiously Recuring Template Pattern) на свалку истории, его замена более простой и очевидно понятной записью.
Рекурсивные лямбды.

И другое.

Но прежде чем рассмотреть само нововведение и его практические применения, углубимся немного в историю и попытаемся понять, почему в нем собственно возникла необходимость.

Мотивация

Начиная с C++03, методы могут иметь cv-квалификаторы, так что стали возможны сценарии, когда есть необходимость как в const, так и не-const перегрузке определенного метода (для краткости воздержимся от рассмотрения volatile перегрузок).

Во многих случаях между их логикой нет никакой разницы — отличаются лишь квалификаторы используемых типов, так что приходится или копировать определение, подгоняя квалификаторы, или использовать такие механизмы как const_cast:

class TextBlock {
public:
  char const& operator[](size_t position) const {
    // ...
    return text[position];
  }

  char& operator[](size_t position) {
    return const_cast<char&>(
      static_cast<TextBlock const&>(*this)[position]
    );
  }
  // ...
};

Начиная с C++11, методы могут иметь также и ref-квалификаторы, так что теперь вместо двух перегрузок одного метода нам могут понадобиться четыре: &, const&, &&, const&&, и у нас есть три способа решить данную задачу (ссылка на код, приведенный ниже):

Писать реализацию одного метода четырежды.
Делегировать три перегрузки четвертой, используя static_cast и const_cast.
Использовать вспомогательную шаблонную функцию.

Но ни один из этих способов не избавляет нас от необходимости четырежды определять практически один и тот же метод.

Если бы могли написать что-то вроде функции ниже, но ведущей себя как член класса, это решило бы все наши проблемы:

template <typename T>
class optional {
    // ...
    template <typename Opt>
    friend decltype(auto) value(Opt&& o) {
        if (o.has_value()) {
            return forward<Opt>(o).m_value;
        }
        throw bad_optional_access();
    }
    // ...
};

Но мы не можем. Точней, не могли. До C++23.

Мечты воплощаются в реальность

Теперь же мы можем определять методы, явно принимающие в качества аргумента объект, над которым они были вызваны:

struct X {
    template <typename Self>
    void foo(this Self&&) { }
};

void example(X& x) {
    x.foo();            // Self = X&
    move(x).foo();      // Self = X
    X{}.foo();          // Self = X
}

Таким образом, теперь мы можем переписать всю ту простыню кода, реализующую метод value у optional, гораздо более компактно, меньше чем в десяток строк:

template <typename T>
struct optional {
  template <typename Self>
  constexpr auto&& value(this Self&& self) {
    if (!self.has_value()) {
      throw bad_optional_access();
    }
    return forward<Self>(self).m_value;
}

Мы подчинили своим целям механизм вывода типов во всей своей мощи! И важно отметить, что это все тот же механизм, проявляющий себя в обычных шаблонных функциях и методах.

Deducing this не вносит никаких изменений в правила вывода типов, он лишь позволяет явное объявление объектного параметра (explicit object parameter) в списке аргументов методов. Параметра, который до этого в методах присутствовал лишь неявно (implicit object parameter), в виде указателя this.

Важно отметить, что вывод типов способен выводить производные типы:

struct X {
  template <typename Self>
  void foo(this Self&&, int);
};

struct D : X { };

void example(X& x, D& d) {
    x.foo(1);               // Self=X&
    move(x).foo(2);         // Self=X
    d.foo(3);               // Self=D&
}

На методы, объявленные с явным объектным параметром, также накладывается ряд ограничений:

Они не могут быть объявлены статическими.
Причина этого заключается в том, что хоть и внешне эти функции выглядят и ведут себя как обычные нестатические методы, но внутренне они ведут себя в точности как статические: в них недоступен указатель this, и единственный способ взаимодействовать в них с объектом класса — через явный объектный параметр.
Кроме того, указатель на такие методы — это указатель на функцию, а не член класса.
Они не могут быть объявлены виртуальными.
Они не могут быть объявлены с использованием ref или cv квалификаторов.

Так как объявление явного объектного параметра уже несет в себе всю необходимую информацию о его типе:

Но есть нюансы

Однако с большой силой приходит и большая ответственность. Так, используя новый тип методов, мы должны постоянно помнить о том, насколько могуществен механизм вывода типов:

struct B {
    int i = 0;

    template <typename Self> auto&& f1(this Self&& self) { return forward<Self>(self).i; }
};

struct D: B {
    double i = 3.14;
};

Тогда как B().f1() в коде выше вернет ссылку на B::i, D().f5() вернет ссылку на D::i, так как self является ссылкой на D.

Если же мы хотим получать ссылку на B::i всегда, нам необходимо явно предусмотреть это в коде:

template <typename Self>
auto&& f1(this Self&& self) {
    return forward<Self>(self).B::i;
}

Другой опасностью на нашем пути может служить проблема приватного наследования. Рассмотрим следующий код:

class B {
    int i;
public:
    template <typename Self>
    auto&& get(this Self&& self) {
        return forward<Self>(self).B::i;
    }
};

class D: private B {
    double i;
public:
    using B::get;
};

D().get(); // error

Мы, казалось бы, предохранились как могли. Однако недостаточно. Мы не можем получить доступ к B::i из D, так как наследование является приватным.

Но и для этой проблемы существует решение:

class B {
    int i;
public:
    template <typename Self>
    auto&& get(this Self&& self) {
        // like_t — функция, применяющая ref и cv квалификаторы
        // первого переданного типа ко второму
        // Например, like_t<int&, double> = double&
        return ((like_t<Self, B>&&)self).i;
    }
};

class D : private B {
    double i;
public:
    using B::get;
};

D().get(); // now ok, and returns B::i

Выполнив приведение в стиле си для избежания проверки доступа, мы реализовали желаемое поведение.

Практическое применение

Итак, немножко поговорив о сущности нововведения и об опасностях, которые могут нас поджидать при его использовании, перейдем к рассмотрению некоторых из его практических приложений.

Дедупликация кода

Это первое и самое очевидное. Помимо уже рассмотренных примеров, приведу еще несколько:

Внедрение методов в классы-наследники

Да-да, вы подумали правильно. CRTP (Curiously Recurring Template Pattern) больше не нужен. И хоть код от использования deducing this в простейшем случае ниже не становится короче, но очевидно становится более простым и интуитивно понятным.

Рекурсивные лямбды

О чем я ранее еще не упоминал — это то, что теперь мы можем определять лямбды с явным объектным параметром, благодаря чему становится возможным определение рекурсивных лямбд:

auto fib = [](this auto self, int n) {
    if (n < 2) return n;
    return self(n-1) + self(n-2);
};

struct Leaf { };
struct Node;
using Tree = variant<Leaf, Node*>;
struct Node {
    Tree left;
    Tree right;
};

int num_leaves(Tree const& tree) {
    return visit(overload(        // <-----------------------------------+
        [](Leaf const&) { return 1; },                           //      |
        [](this auto const& self, Node* n) -> int {              //      |
            return visit(self, n->left) + visit(self, n->right); // <----+
        }
    ), tree);
}

Передача self по значению

Передача self по значению открывает для нас возможность более естественного выражения желаемой семантики, например когда смысл метода заключается в одном лишь возврате модифицированной копии:

struct my_vector : vector<int> {
  auto sorted(this my_vector self) -> my_vector {
    sort(self.begin(), self.end());
    return self;
  }
};

Но, что многие справедливо посчитают более важным применением, позволяет в некоторых случаях достичь лучшей производительности.

Например, все мы знаем, что маленькие типы во избежание порождения лишних уровней косвенности (indirection) лучше передавать по значению.

К одному из таких типов относится std::string_view. Который мы можем передавать по значению всюду: в наши функции, конструкторы, другие методы. Но только не в его собственные методы. До принятия deducing this у разработчиков стандартной библиотеки не было способов избежать разыменований указателя this в собственных методах std::string_view.

Теперь же мы можем переписать все его методы, не выполняющие модификаций, с передачей явного объектного параметра по значению, практически бесплатно этим получая улучшение производительности:

template <class charT, class traits = char_traits<charT>>
class basic_string_view {
private:
    const_pointer data_;
    size_type size_;
public:
    constexpr const_iterator begin(this basic_string_view self) {
        return self.data_;
    }

    constexpr const_iterator end(this basic_string_view self) {
        return self.data_ + self.size_;
    }

    constexpr size_t size(this basic_string_view self) {
        return self.size_;
    }

    constexpr const_reference operator[](this basic_string_view self, size_type pos) {
        return self.data_[pos];
    }
};

Заключение

На самом деле, это далеко не все, что можно сказать про deducing this, но самое главное и основное. Целью данной статьи не являлось углубление в детали.

Если вы хотите постичь все нюансы — вы можете обратиться к оригинальному документу.

Также довольно интересы и увлекательны статьи, написанные некоторыми из его авторов: «C++23’s Deducing this: what it is, why it is, how to use it» (Sy Brand), «Copy-on-write with Deducing this» (Barry Revzin).

Любите плюсы и будьте счастливы.

Теги:

Хабы: