不能使 C++ 编译器有条件地使用类型特征引发错误

Question

我正在尝试学习/评估用于嵌入式编程的 C++，但遇到了一个问题，我似乎无法自己解决。我想使用类型特征来描述特定微控制器引脚的不同可能用途。然后我想让编译器停止编译我的项目，如果一个引脚用于它实际上不能做的事情。我的问题是它要么只在运行时工作，要么编译器产生误报：即它坚持一个引脚不能用于某些功能，即使我从未尝试使用它，但只有作为其他东西（比如驱动 LED）......

请原谅这篇冗长的帖子 - 我希望你能忍受我的解释并帮助我找到解决方案。

我已经使用模板为 MCU 引脚创建了一个实现，如下所示：

enum class pin_funciton {
    OUTPUT, INPUT, INTERRUPT_FALLING,
    INTERRUPT_RISING, INTERRUPT_LEVEL,
    ANALOG, SPI, UART, };

// base class is needed so instance can be passed as function arguments
class gpio {
public:
    virtual void configure(pin_function, unsigned char startupLogic) = 0;
    virtual void set() {}
    virtual void reset() {}
    /* ... other functions like read() etc. */
};

template<unsigned int GPIO_BASE, unsigned int pin>
class gpio_pin : public gpio {
public:
    void configure(pin_function, unsigned char startupLogic = 0U) override {
        /* actual implementation based on options */
    }
    // other methods are implemented as well
};

void do_stuff(gpio* signalPin) {
    // do some very super duper useful work
}

// other usage
gpio_pin<GPIOB, 4> redLed;
redLed.set();

到目前为止，这一切都很好。输入类型特征。当引脚被配置为使用时，类型特征应该通知编译器引脚是否可以这样使用。这是一个可能的 trait 实现示例：

template<unsigned int port, unsigned int pin>
struct is_spi_pin {
    static constexpr bool allow() {
        switch (port) {
            case GPIOE_BASE: if (pin == 1 || pin == 2) return true; break;
            case GPIOC_BASE: if (pin == 1 || pin == 2 || pin == 3) return true; break;
            case GPIOB_BASE: if (pin == 10 || pin == 12 || pin == 14) return true; break;
            default: return false;
         }
     }
};

这是我遇到的第一个并发症。我知道典型的约定是通过模板专业化来实现这一点，即首选方式是这样的：

template<unsigned int port, unsigned int pin>
struct is_spi_pin {
    static const bool value = false;
};

template<>
struct is_spi_pin<GPIOE_BASE, 1> {
    static const bool value = true;
};

template<>
struct is_spi_pin<GPIOE_BASE, 2> {
    static const bool value = true;
};
/* rest of the SPI pins specializations ... */

但是，我不想为 MCU 的所有引脚的所有可能使用类型实现专门化，所以我认为我可以使用 constexpr 函数。我可以为每种使用类型设置一个功能，这样可以节省一些时间和工作量。请告知，如果我的解决方案是不可取的，出于什么原因......

然后，这是让我很适合的用例......

我有另一个类似的 SPI 外设模板类：

enum class spi_type {
    SPI_TYPE0, SPI_TYPE1, SPI_TYPE2, SPI_TYPE4
};

class spi {
public:
    virtual void configure(unsigned int speed, spi_type spiType) = 0;
    virtual unsigned char write(unsigned char dat) = 0;
    virtual void write(unsigned char* buffer, size_t bufferSz) = 0;
    virtual void read(unsigned char* dest, size_t  destSz) = 0;
};

template<unsigned int SPI_BASE>
class spi_periph : public spi {
public:
    spi_periph(gpio* clkPin, gpio* mosiPin, gpio* misoPin)
        : clk_(clkPin), mosi_(mosiPin), miso_(misoPin) { }
    void configure(unsigned int speed = 2000000LU,
                   spi_type spiType = spi_type::SPI_TYPE0) override {
        /* ... */
    }
    // other functions ...
private:
    gpio *clk_{ nullptr }, *mosi_{ nullptr }, *miso_{ nullptr };
};

// usage
gpio_pin<GPIOA, 5> errorLed{};
errorLed.configure(pin_function::OUTPUT);

gpio_pin<GPIOC, 0> clk{};
gpio_pin<GPIOC, 3> mosi{};
spi_periph<SPI0> spi0{ &clk, &mosi, nullptr };
spi0.configure(/*...*/);

在spi::configure 函数中，实现调用gpio::confugure 在所有引脚上使用pin_function::SPI（如果不是nullptr）。如果 gpio 类型特征表明时钟、mosi 或 miso 引脚不能是 SPI 引脚，我希望编译器抛出错误。

这是我对gpio::configure 函数的实现：

template<unsigned int port, unsigned int pin>
void gpio_pin<port, pin>::configure(pin_function useAs, unsigned char initialLogic) {
    switch (useAs) {
        case pin_function::SPI:
            assert(is_spi_pin<port, pin>::allow());
            // configure as SPI pin
            break;
        case pin_function::OUTPUT:
            // configure as output
            break;
        /* other cases */
    }
}

不幸的是，这仅在运行时有效。如果我用 static_assert 替换断言，则编译器不会将 clk 和 mosi 实例标记为错误，如果类型特征表明它们是 SPI 引脚。但是 它会将 errorLed.configure 的调用标记为错误，如果 GPIOA 引脚 5 不是 SPI 引脚，即使我没有尝试使用它！

这可以解决吗？？？如果是，那么如何？

感谢您阅读所有这些内容，当然，感谢您提供的所有帮助！

Answer 1

不幸的是，这仅在运行时有效。如果我用 static_assert 替换断言，那么编译器不会将 clk 和 mosi 实例标记为错误，如果类型特征表明它们是 SPI 引脚。

当然。

如果你可以使用C++17，并且你可以将useAs作为模板参数传递，你可以解决if constexpr链的问题。

所以，而不是

switch (useAs) {
    case pin_function::SPI:
        assert(is_spi_pin<port, pin>::allow()); // <-- compilation error if static_assert
        // configure as SPI pin
        break;
    case pin_function::OUTPUT:
        // configure as output
        break;
    /* other cases */
}

你可以写

if constexpr ( pin_function::SPI == useAs )
 {
   static_assert(is_spi_pin<port, pin>::allow());
   // configure as SPI pin
 }
else if constexpr ( pin_function::OUTPUT == useAs )
 {
   // configure as output
 }

注意您必须将useAs 作为模板参数传递，否则编译器无法编译is constexprs。

问题在于，如果您使用switch/case（或简单的if 链），编译器必须编译所有内容，即使不使用时也是如此。因此，您的 alert() 有效，因为仅在运行时检查（并且仅当 useAs 为 pin_function::SPI 时）但您的 static_assert() 给出编译错误，因为当 useAs 与 pin_function::SPI 不同时也检查编译时间

if constexpr的存在正是为了避免此类问题，并在编译阶段削减未使用的代码。

如果没有 C++17...您必须针对不同的情况开发不同的方法（或接受 assert() 工作运行时）。