向非 C++ 程序员解释 C++ SFINAE

Question

什么是 C++ 中的 SFINAE？

你能用不懂C++的程序员可以理解的语言解释一下吗？还有，SFINAE对应Python这样的语言中的什么概念？

Answer 1

警告：这是一个非常长的解释，但希望它不仅能真正解释 SFINAE 的作用，还能让您了解何时以及为何使用它。

好的，为了解释这一点，我们可能需要备份并解释一下模板。众所周知，Python 使用的是通常所说的鸭式类型——例如，当您调用一个函数时，您可以将一个对象 X 传递给该函数，只要 X 提供该函数使用的所有操作即可。

在 C++ 中，普通（非模板）函数要求您指定参数的类型。如果你定义了这样的函数：

int plus1(int x) { return x + 1; }

您可以仅将该函数应用于int。事实上，它使用x 的方式可以同样适用于long 或float 等其他类型，这没什么区别——它只适用于int。

为了更接近 Python 的鸭子类型，您可以创建一个模板：

template <class T>
T plus1(T x) { return x + 1; }

现在我们的plus1 更像是在Python 中的情况——特别是，我们可以同样很好地调用它来定义x + 1 的任何类型的对象x。

现在，考虑一下，例如，我们想要将一些对象写到流中。不幸的是，其中一些对象使用stream << object 写入流，而其他对象则使用object.write(stream);。我们希望能够处理其中任何一个，而无需用户指定哪个。现在，模板专门化允许我们编写专门的模板，所以如果它是使用object.write(stream) 语法的 one 类型，我们可以这样做：

template <class T>
std::ostream &write_object(T object, std::ostream &os) {
    return os << object;
}

template <>
std::ostream &write_object(special_object object, std::ostream &os) { 
    return object.write(os);
}

这对一种类型来说很好，如果我们想要做得足够糟糕，我们可以为所有不支持stream << object的类型添加更多特化——但尽快（例如）用户添加了一个不支持 stream << object 的新类型，事情又中断了。

我们想要的是一种将第一个特化用于任何支持stream << object; 的对象的方法，而将第二个特化用于其他任何对象（尽管有时我们可能希望为使用x.print(stream); 的对象添加第三个特化）。

我们可以使用 SFINAE 来做出决定。为此，我们通常依赖于 C++ 的其他一些古怪的细节。一种是使用sizeof 运算符。 sizeof 确定类型或表达式的大小，但它完全是在编译时通过查看所涉及的 types 来完成的，而不评估表达式本身。例如，如果我有类似的东西：

int func() { return -1; }

我可以使用sizeof(func())。在这种情况下，func() 返回一个int，所以sizeof(func()) 等价于sizeof(int)。

第二个经常使用的有趣项目是数组的大小必须为正数，而不是为零。

现在，把它们放在一起，我们可以做这样的事情：

// stolen, more or less intact from: 
//     http://stackoverflow.com/questions/2127693/sfinae-sizeof-detect-if-expression-compiles
template<class T> T& ref();
template<class T> T  val();

template<class T>
struct has_inserter
{
    template<class U> 
    static char test(char(*)[sizeof(ref<std::ostream>() << val<U>())]);

    template<class U> 
    static long test(...);

    enum { value = 1 == sizeof test<T>(0) };
    typedef boost::integral_constant<bool, value> type;
};

这里我们有两个test 的重载。其中第二个采用变量参数列表（...），这意味着它可以匹配任何类型——但它也是编译器在选择重载时做出的最后选择，所以它只会 如果第一个 not 匹配，则匹配。 test 的另一个重载有点有趣：它定义了一个接受一个参数的函数：一个指向返回 char 的函数的指针数组，其中数组的大小（本质上）是sizeof(stream << object)。如果stream << object 不是一个有效的表达式，sizeof 将产生 0，这意味着我们创建了一个大小为零的数组，这是不允许的。这就是 SFINAE 本身出现的地方。尝试用不支持operator<< 的类型替换U 会失败，因为它会生成一个大小为零的数组。但是，这不是错误——它只是意味着从重载集中消除了该函数。因此，在这种情况下，只能使用另一个函数。

然后在下面的enum 表达式中使用它——它查看来自test 的选定重载的返回值并检查它是否等于1（如果是，则意味着函数返回char被选中，否则，返回long的函数被选中）。

结果是 has_inserter<type>::value 将是 l 如果我们可以使用 some_ostream << object; 将编译，而 0 如果它不会。然后，我们可以使用该值来控制模板特化，以选择正确的方式来写出特定类型的值。

Answer 2

Python 根本帮不了你。但是你确实说你已经基本熟悉模板了。

最基本的 SFINAE 构造是使用enable_if。唯一棘手的部分是class enable_if 没有封装 SFINAE，它只是公开它。

template< bool enable >
class enable_if { }; // enable_if contains nothing…

template<>
class enable_if< true > { // … unless argument is true…
public:
    typedef void type; // … in which case there is a dummy definition
};

template< bool b > // if "b" is true,
typename enable_if< b >::type function() {} //the dummy exists: success

template< bool b >
typename enable_if< ! b >::type function() {} // dummy does not exist: failure
    /* But Substitution Failure Is Not An Error!
     So, first definition is used and second, although redundant and
     nonsensical, is quietly ignored. */

int main() {
    function< true >();
}

在 SFINAE 中，有一些结构会设置错误条件（此处为class enable_if）和许多并行的，否则会相互冲突的定义。除了一个定义，编译器会选择并使用它而不抱怨其他定义。

可接受的错误类型是最近才标准化的一个主要细节，但您似乎没有问这个问题。

Answer 3

SFINAE 是 C++ 编译器用于在重载解析期间过滤掉一些模板化函数重载的原则 (1)

当编译器解析一个特定的函数调用时，它会考虑一组可用的函数和函数模板声明，以确定将使用哪一个。基本上，有两种机制可以做到这一点。一可以被描述为句法。给定声明：

template <class T> void f(T);                 //1
template <class T> void f(T*);                //2
template <class T> void f(std::complex<T>);   //3

解析f((int)1) 将删除版本2 和3，因为对于某些T，int 不等于complex<T> 或T*。同样，f(std::complex<float>(1)) 将删除第二个变体，f((int*)&x) 将删除第三个。编译器通过尝试从函数参数中推断出模板参数来做到这一点。如果推导失败（如T* 对抗int），则丢弃重载。

我们想要这样做的原因很明显 - 我们可能希望对不同类型做一些稍微不同的事情（例如，复数的绝对值由 x*conj(x) 计算并产生一个实数，而不是复数，即不同于浮点数的计算）。

如果你之前做过一些声明式编程，这个机制类似于（Haskell）：

f Complex x y = ...
f _           = ...

C++ 更进一步的方式是，即使推导的类型是正确的，推导也可能会失败，但将替换回另一个会产生一些“荒谬”的结果（稍后会详细介绍）。例如：

template <class T> void f(T t, int(*)[sizeof(T)-sizeof(int)] = 0);

推导f('c')时（我们用一个参数调用，因为第二个参数是隐式的）：

1. 编译器将T 与char 相匹配，生成T 为char
2. 编译器将声明中的所有Ts 替换为chars。这会产生void f(char t, int(*)[sizeof(char)-sizeof(int)] = 0)。
3. 第二个参数的类型是指向数组int [sizeof(char)-sizeof(int)]的指针。这个数组的大小可以是例如。 -3（取决于您的平台）。
4. 长度为<= 0 的数组无效，因此编译器会丢弃重载。 替换失败不是错误，编译器不会拒绝程序。

最后，如果还有多个函数重载，编译器会使用转换序列比较和模板的部分排序来选择一个“最佳”。

还有更多像这样工作的“无意义”结果，它们在标准 (C++03) 的列表中枚举。在 C++0x 中，SFINAE 的领域扩展到几乎所有类型错误。

我不会写一个详尽的 SFINAE 错误列表，但其中一些最受欢迎的是：

• 选择没有嵌套类型的类型。例如。 typename T::type 代表T = int 或T = A，其中A 是一个没有嵌套类型的类，称为type。
• 创建一个非正大小的数组类型。例如，请参阅this litb's answer
• 创建指向非类类型的成员指针。例如。 int C::* 为 C = int

这种机制与我所知道的其他编程语言中的任何东西都不相似。如果你要在 Haskell 中做类似的事情，你会使用更强大的守卫，但在 C++ 中是不可能的。

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1: 或者说类模板时的部分模板特化

Answer 4

如果您有一些重载的模板函数，则在执行模板替换时，一些可能使用的候选函数可能无法编译，因为被替换的东西可能没有正确的行为。这不被认为是编程错误，失败的模板只是从可用于该特定参数的集合中删除。

我不知道 Python 是否有类似的特性，我也不明白为什么非 C++ 程序员应该关心这个特性。但是如果你想了解更多关于模板的知识，最好的书是C++ Templates: The Complete Guide。

Answer 5

Python 中没有任何东西与 SFINAE 很相似。 Python 没有模板，当然也没有解析模板特化时发生的基于参数的函数解析。在 Python 中，函数查找纯粹是按名称完成的。