C++20 概念与约束（1）—— SFINAE

1、从模板说起

        众所周知，C++在使用模板时，如果有多个模板匹配，则编译器会选择最匹配的一个模板进行实例化，这也正是模板特化和偏特化的依据。

         根据上面这张图中的现象，列举下面几个示例：

1、不存在模板的情况下， foo(1.0) 中的 1.0 将进行隐式转换。

2、若存在模板，模板匹配的优先级高于隐式转换。

3、若不存在实例， 编译器将用最合适的模板（图中的特化版本）进行实例化。

4、当然，在不存在实例也不存在匹配模板的情况下，编译器才会报错。

        从上述现象可知，优先级中，模板实例化 > 隐式类型转换 > 报错。而报错信息自然是找不到匹配的重载函数。看似稀松平常？但这才是重点，这里先按下不表。

 2、SFINAE

1、报错类型

        下图将模板第二个类型形参当作一个约束，要求传入的第一个类型中包含子类型 _requires，这样势必是通不过编译的。

        这里看似错误是因为 int 和 X 类型中没有 _requires 子类而报错，但事实是否如此？看它的报错：

        找不到匹配的重载函数？是不是很眼熟？而我们对比因为 int 和 X 类型中没有 _requires 子类而报错的报错信息：

         所以得到结论，模板匹配中，当某个它与要求不符时，编译器会将它抛弃，之后继续寻找其他匹配的模板。当无模板可匹配时，则报匹配错误。简而言之，匹配失败并非错误，这就是SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）。

        当然如果要强行调用这个模板也不是不行，只需要手动传入第二个参数即可。

        但是正确做法是传入一个包含 _requires 子类的类型。 

2、另一种匹配失败

        匹配规则并不一定得在模板形参列表中进行规定。比如规定类型得支持某种运算。

        如果不了解 std::declval ，那先将 decltype 括号中的内容当作 *T{} 即可。这三个模板，1 和 2 均是 SFINAE 。虽然模板 3 一样编译不通过，但其中存在本质差别。先看报错信息：

        尤其在函数模板中，只要在函数名修饰规则的成员中或者返回类型中使用匹配规则进行约束即可，比如也可以在函数模板的函数参数列表中约束类型：

         当然一般不会这么写，毕竟这么使用 SFINAE 规则要如何传参？报错信息中除了匹配不到模板的报错之外，自然也会有语法错误。

        使用 SFINAE 的模板报错实在模板实例化时，当未发现可实例化的模板便立即报错。而第三个模板报错是在实例化之后，调用 foo3<int>() 时，编译器发现 int 类型无法解引用才进行报错。如果模板特别复杂，使用 SFINAE 规则，报错信息将尤其清晰，否则可能出现几十条错误信息。

3、C++20之前的约束

1、std::enable_if_t

        用于约束模板满足某些表达式的条件，如果不满足则该模板不会被实例化。

        Y 类型并不匹配其中的条件“与 int 或者 X 类型相同” ，所以 Y 类型作为模板形参必定找不到匹配模板。事实上 enable_if_t 也是利用 SFINAE 规则。

        enable_if_t 中第一个模板参数是 bool 型的非类型模板形参，如果传入的表达式结果是false，则 enable_if 结构体将实例化为不含 type 版本，则 enable_if_t 对 enable_if 中的 type 取别名必然失败。

2、std::declval

        使类型即使不实例化也可对类型进行实例化之后的操作。

        模板的约束条件是支持同类型加法运算，因此约束条件这么写看似没问题，但是仍然找不到匹配模板。因为这种约束的写法除了要求支持同类型加法运算之外，还隐含了要求“支持无参构造”这一条件。而 X 类型因为定义了拷贝构造，默认无参构造是被弃用的，因此无法通过编译。因此便需要用到 std::declval 。

3、std::void_t

        将其当作一个用于类型的花括号即可。其实作用并不大。

        假如现在模板要求支持同类型加法操作，又同时只允许用 X 和 Y 类型当作类型模板形参，同时要求传入的类型模板形参中包含子类型 type 。根据之前的写法：

        如果要求更多，那么需要定义更多的类型模板形参，极其麻烦。如果用 std::void_t 则：

        实际上依然十分麻烦。这里先演示 C++20 的其中一种概念与约束的写法，之后正式介绍。