C++中的std::format 如何实现编译期格式检查
作者:zhb2000
C++ 20 的 std::format 是一个很神奇、很实用的工具,最神奇的地方在于它能在编译期检查字符串的格式是否正确,而且不需要什么特殊的使用方法,只需要像使用普通函数那样传参即可。
#include <format> int a = 1; std::string s1 = std::format("a: {}", a); // OK std::string s2 = std::format("a: {}, b: {}", a); // 编译错误
C++ 20 的 std::format
来自一个著名的开源库 {fmt}。在 C++ 20 之前,fmt 需要为每个字符串字面量创建不同的类型才能实现编译期格式检查。fmt 提供了一个 FMT_STRING
宏以简化使用的流程。
#include <fmt/format.h> int a = 1; std::string s1 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}"), a); // OK std::string s2 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}, b: {}"), a); // 编译错误
C++ 20 有了 consteval 后就不用这么别扭了。consteval
函数与以前的 constexpr 函数不同,constexpr
函数只有在必须编译期求值的语境下才会在编译期执行函数,而 consteval
函数在任何情况下都强制编译期求值。std::format
就是利用 consteval
函数在编译期执行代码,来检查字符串参数的格式。
然而 std::format
自身不能是 consteval
函数,只好曲线救国,引入一个辅助类型 std::format_string,让字符串实参隐式转换为 std::format_string
。只要这个转换函数是 consteval
函数,并且把格式检查的逻辑写在这个转换函数里面,照样能实现编译期的格式检查。
这里我们实现了一个极简版的 format
,可以检查字符串中 {}
的数量是否与参数的个数相同。format_string
的构造函数就是我们需要的隐式转换函数,它是一个 consteval
函数。若字符串中 {}
的数量不对,则代码会执行到 throw
这一行。C++ 的 throw
语句不能在编译期求值,因此会引发编译错误,从而实现了在编译期检查出字符串的格式错误。
namespace my { template<class ...Args> class format_string { private: std::string_view str; public: template<class T> requires std::convertible_to<const T &, std::string_view> consteval format_string(const T &s) : str(s) { std::size_t actual_num = 0; for (std::size_t i = 0; i + 1 < str.length(); i++) { if (str[i] == '{' && str[i + 1] == '}') { actual_num++; } } constexpr std::size_t expected_num = sizeof...(Args); if (actual_num != expected_num) { throw std::format_error("incorrect format string"); } } std::string_view get() const { return str; } }; template<class ...Args> std::string format(format_string<std::type_identity_t<Args>...> fmt, Args &&...args) { // 省略具体的格式化逻辑 } }
有一个细节,此处 format
函数的参数写的是 format_string<std::type_identity_t<Args>...>
,直接写 format_string<Args ...>
是无法隐式转换的,因为模板实参推导 (template argument deduction) 不会考虑隐式转换,C++ 20 提供了一个工具 std::type_identity 可以解决这个问题。std::type_identity
其实就是一个关于类型的恒等函数,但是这么倒腾一下就能在模板实参推导中建立非推导语境 (non-deduced context),进而正常地匹配到隐式转换,C++ 就是这么奇怪。
参考资料:c++ - why would type_identity make a difference? - Stack Overflow
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