C++17之void_t元函数

1. 使用 void_t 进行类型特征检测：识别成员类型和成员函数

在 C++ 中，模板元编程被广泛用于编译期的类型检查和特性检测。尤其是当我们需要编写通用代码时，通过判断类型是否拥有某些特性（如成员类型或成员函数），可以让程序在编译期生成针对特定类型的代码。

C++17 引入的 void_t 提供了一种优雅的方法来处理这种类型检测问题。本文将详细介绍如何利用 void_t 模板进行类型的特征检测。

1.1 void_t 的作用

void_t 是一个非常简洁的模板，它接受若干个模板参数并返回 void。void_t 的实际用法体现在模板参数替换失败时不会导致编译错误的特性，这也就是 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）原理的核心。

1.1.1 void_t 的定义

template<typename...>
using void_t = void;

它的作用是在编译期替换模板参数，检查某个类型是否存在某些属性时，不会因错误而中断编译，而是自动回退到其他模板匹配。

1.1.2 为什么需要 void_t

在编写大型模板库或泛型程序时，类型检测和类型属性提取非常常见。通过 void_t，我们可以检测出某个类型是否定义了某个成员，或者是否满足某种要求，这样在编译期进行相应的处理，而无需等待运行时来发现这些问题。

1.2 判断类型成员是否存在

假设我们有一个类可能定义了某些特定的成员类型，例如 type。为了实现针对有或没有这个成员的类的不同处理逻辑，我们可以通过模板特化和 void_t 来实现。

1.2.1 检测成员类型的主模板

首先，我们定义一个默认的模板，用于处理不存在该成员的情况：

template<typename T, typename = void>
struct HasTypeMember : std::false_type {};

这个模板的默认实现认为类型 T 不存在成员类型 type，因此它继承自 std::false_type，表示 false。

1.2.2 检测成员类型的特化模板

然后，我们特化模板，使用 void_t 来检测类型 T 是否定义了 type：

template<typename T>
struct HasTypeMember<T, void_t<typename T::type>> : std::true_type {};

这个特化模板使用 void_t，检查 T 是否有 type 成员。如果存在，则 void_t 会成功实例化，特化模板被选中，继承自 std::true_type，表示 true。

1.2.3 成员类型检测示例

我们可以通过下面的例子进行验证：

struct Foo2 {using type = bool;  // 定义了成员类型 type
};static_assert(!HasTypeMember<int>::value); // int 没有成员类型 type
static_assert(HasTypeMember<Foo2>::value); // Foo2 定义了成员类型 type	

对于 int，它没有 type 成员，因此 HasTypeMember::value 是 false。
对于 Foo2，它定义了 type 成员，因此 HasTypeMember::value 是 true。

1.3 检测成员函数是否存在

同样，我们可以使用类似的方法来检测某个类型是否具有特定的成员函数。比如我们要检测 OnInit 函数是否存在。

1.3.1 成员函数检测的主模板

首先，定义一个默认的模板来处理不存在该函数的情况：

template<typename T, typename = void>
struct HasInit : std::false_type {};

该模板假定 T 没有 OnInit 成员函数，继承自 std::false_type。

1.3.2 成员函数检测的特化模板

接着，我们特化这个模板，使用 void_t 和 decltype 来检测 OnInit 函数是否存在：

template<typename T>
struct HasInit<T, void_t<decltype(std::declval<T>().OnInit())>> : std::true_type {};

decltype 用于推导 T 类型对象调用 OnInit 函数的返回类型。结合 std::declval，我们可以在没有实际构造对象的情况下检测函数签名是否存在。

1.3.3 成员函数检测示例

下面的代码展示了如何检测 OnInit 函数：

struct Foo {void OnInit() {}
};static_assert(!HasInit<int>::value); // int 没有 OnInit 成员函数
static_assert(HasInit<Foo>::value);  // Foo 定义了 OnInit 成员函数

对于 int，它没有 OnInit 函数，因此 HasInit::value 为 false。
对于 Foo，它有 OnInit 成员函数，因此 HasInit::value 为 true。

1.4 综合示例：完整代码

我们将成员类型检测和成员函数检测综合到一个完整的示例代码中：

#include <iostream>
#include <utility>template<typename...>
using void_t = void;template<typename T, typename = void>
struct HasTypeMember : std::false_type {};template<typename T>
struct HasTypeMember<T, void_t<typename T::type>> : std::true_type {};struct Foo2 {using type = bool;  // 定义了成员类型 type
};template<typename T, typename = void>
struct HasInit : std::false_type {};template<typename T>
struct HasInit<T, void_t<decltype(std::declval<T>().OnInit())>> : std::true_type {};struct Foo {void OnInit() {}
};int main() {static_assert(!HasTypeMember<int>::value);      // int 没有类型成员 typestatic_assert(HasTypeMember<Foo2>::value);      // Foo2 有类型成员 typestatic_assert(!HasInit<int>::value);            // int 没有 OnInit 成员函数static_assert(HasInit<Foo>::value);             // Foo 有 OnInit 成员函数return 0;
}

1.5 总结

通过使用 void_t 和模板特化技术，我们可以实现对类型特征（如成员类型和成员函数）的检测。这在编写泛型代码时非常有用，可以在编译期确保类型符合预期条件，减少运行时错误。

此外，void_t 提供了一个统一的机制来避免编译期的模板替换失败，是元编程中必不可少的工具。使用它，我们可以更加灵活地实现模板代码，并处理复杂的类型系统。