SFINAE 相关知识详解

一、SFINAE 知乎

SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）是一种 C++ 编译器技术，用于在编译时根据条件包含或排除模板参数。在模板元编程中，SFINAE 通常用于在编译期间选择模板函数重载。该技术的实现依赖于编译器的模板类型推断和重载解析规则。对于那些包括函数特化和模板特化等类型选择的模板函数，编译器必须能够将提供的参数连接到正确的函数或模板实例上。SFINAE 技术可以让编译器在这个选择过程中继续尝试，而不会引发编译时错误。例如：

template <typename T>
void foo(T t) {
    typename T::type* ptr; //这里的typename就是用于把表达式T::type为类型说明符而不是成员说明符
}
struct S {
    using type = int;
};
int main() {
    foo(S());
    foo(int()); //1
    return 0;
}

上面代码中，foo(int())是不合法的，因为 int 类型没有 type 成员。SFINAE 规则使得编译器选择忽略这个错误，所以代码可以成功编译。

二、SFINAE Overload

使用 SFINAE 技术，一个函数可以通过特定的方式来处理在编译器选择错误重载时必然会出现的情况。这通常通过创建一个函数的包含额外模板参数的重载来实现，而这些参数具有定义为 typename std::enable_if<bool expr, T>::type 的形式。在这个结构中，expr 会被编译器检查，如果为 false，那么 std::enable_if 不能生成任何类型，这意味着编译器将跳过该特定函数，直到找到一个合适的重载。例如：

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value, void>::type
foo(T t) {
    std::cout << "foo(T)\n";
}
template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, void>::type
foo(T t) {
    std::cout << "foo(T)\n";
}
int main() {
    foo(3.14f); //1
    foo(42);
    return 0;
}

在这个例子中，两个 foo 函数都接受一个参数 T，但他们都有不同的 enable_if 类型，并且在不同的类型条件下启用。这个程序将输出两次 "foo(T)"，分别适用于浮点型和整型参数。

三、SFINAE 发音

SFINAE 所代表的单词很长，这也使得它的发音颇受争议。笔者曾经经常发音为“sifnae”，但实际上，最常见的发音是“s-fin-ay”，并且有时候被缩写为“S”或“SFINAE”。

四、SFINAE 成员函数

使用 SFINAE 技术，可以很方便地为函数重载提供额外条件。但要注意的是，SFINAE 在成员函数中的使用和使用于外部函数有所不同，这与模板参数决定了如何编写这样的代码。作为成员函数，我们需要使用 decltype 来使用其所属的类，在 enable_if 的条件语句中，我们要使用 std::declval 来代替未知类型的实例，在 enable_if 后面的语句里面可以调用我们想要的函数。例如：

struct A {
    template <typename T>
    typename std::enable_if<std::is_same<T, int>::value, void>::type
    foo() {
        std::cout << "int - A::foo()\n";
    }
    template <typename T>
    typename std::enable_if<std::is_same<T, float>::value, void>::type
    foo() {
        std::cout << "float - A::foo()\n";
    }
};
int main() {
    A a;
    a.foo<int>(); //1
    a.foo<float>();
    return 0;
}

在这个示例中，类 A 包含两个使用 SFINAE 技术的成员函数。在函数中，我们使用 std::enable_if 来使我们的成员函数只能被调用一定类型的实例。这个程序将输出一次“int - A::foo()”和一次“float - A::foo()”。

五、SFINAE 与重载的区别

与使用函数重载相比，SFINAE 技术优点在于，使用 SFINAE 时错误不会直接导致程序崩溃。重载不像使用 SFINAE 那样灵活，因为一旦重载解析失败，编译器只会报错并停止编译，而使用 SFINAE 技术则可以使解析失败的函数不会被编译器选中，然后继续选择其他适当的重载，即它可以保持程序正常进行。

六、SFINAE 对类内部声明有效吗

类内部包含的 SFINAE 声明实际上是不允许的。这个时候我们必须在类外部声明 SFINAE 的模板特化。例如：

template <typename T, typename = void>
struct foo {
    static const bool value = false;
};
template <typename T>
struct foo<T, typename std::enable_if<sizeof(T) % 2 == 0>::type> {
    static const bool value = true;
};
struct A {
    int x;
};
int main() {
    std::cout << std::boolalpha << foo<A>::value; //1
    return 0;
}

上面代码中，如果我们在 A 内部使用 SFINAE，会报错，但我们可以用 foo 在类外部声明 SFINAE 的模板特化。

七、SFINAE 和 Type Traits

C++11 的 type traits 库中包含一系列的预定义类型特性，例如 is_pointer<T> 和 is_reference<T>，这些类型特性常用于 SFINAE 技术的实现。例如：

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_pointer<T>::value, void>::type
foo(T t) {
    std::cout << "pointer - foo()\n";
}
template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_reference<T>::value, void>::type
foo(T t) {
    std::cout << "reference - foo()\n";
}
int main() {
    int x = 0;
    int* p = &x;
    foo(p); //1
    foo(x);
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用了 std::is_pointer 和 std::is_reference。与 std::enable_if 一起使用可以使重载函数不被错误的选择。

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