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1. 特征技术概述(Traits)
C++ 特征技术是一种强大的机制，它允许你在编译时获取类型的信息。它使你能够编写能够适应不同类型的泛型代码，而无需运行时开销。
您可以将特征视为具有多种结果的一个类型函数或一组类型函数。标准库提供了allocator_traits，char_traits，iterator_traits，regex_traits，pointer_traits。此外，它还提供了 time_traits和 type_traits。
关键概念为:
类型特征(Type Traits)——提供关于类型的属性。
策略(Policy)——将接口定义为对其他类的服务的类或类模板。
模板逾编程(Template Metaprogramming)——使用模板在编译时执行计算(以避免运行时计算，提升运行时性能)。
1.1 特征技术的目的
以下是关键方面的细分：
(1) 类型自省：
特征技术提供了一种(编译时)查询类型属性的方法，例如某个类型是整数、指针还是类。
(2) 编译时自定义：
基于从特征获取的信息，您可以在编译时自定义代码的行为。这允许针对不同类型的代码路径进行优化。
(3) 泛型编程：
特征对于编写可处理多种类型的泛型算法和数据结构至关重要。
(4) 扩展功能：
特征技术可以通过提供类型的信息来扩展和调整现有代码。
1.2 特征技术实现方式
(1) 模板类：
特征通常以模板类的形式实现。它们将类型作为模板参数。
(2) 静态成员：
特征类通常包含静态成员常量或成员类型，用于提供有关类型参数的信息。
(3) 特化：
您可以针对特定类型特化特征类，以提供不同的行为或信息。
(4) 编译时估算：
特征在编译时进行求值，因此没有运行时开销。
1.3 特征技术常见用例
(1) 类型检查：
诸如 std::is_integral，std::is_pointer 和 std::is_class 之类的特征允许您检查类型的属性。
(2) 类型转换：
诸如 std::remove_const，std::add_pointer 和 std::remove_reference 之类的特征允许您修改类型。
(3) 算法优化：
通过使用特征，您可以编写能够针对特定类型使用优化的泛型实现的算法，即针对特定类型的模板特化。
(4) 库开发：
特征在 C++ 标准库中被广泛使用，以提供泛型功能。
2. 应用举例
不同的代码片段结构基本相同，但在细节上存在差异，这种情况并不少见。理想情况下，我们能够重用这些结构，并剔除这些差异。在 C 语言中，这可以通过使用函数指针来实现，例如 C 标准库中的 qsort 函数，或者在 C++ 中使用虚函数。遗憾的是，这与编译时已知的运行时情况不同，并且会产生运行时开销。
C++ 引入了泛型编程，使用模板，消除了运行时绑定的需求，但乍一看，这仍然像是一种妥协，毕竟，相同的算法并非适用于所有数据结构。对链表进行排序与对数组进行排序不同。排序数据的搜索速度比未排序数据快得多。
C++ 特征是模板编程的一个特例，通常只关注特定类型的特性，例如静态属性和静态函数。它是 C++ 模板编程最基本的构建块之一。
C 和 C++ 程序员都应该熟悉 limits.h 和 float.h，它们用于确定整数和浮点类型的各种属性。
大多数 C++ 程序员都熟悉 std::numeric_limits ，乍一看，它只是提供了相同的服务，只是实现方式不同。通过仔细研究numeric_limits，我们发现了 trait 的第一个优点：一致的接口。
使用 float.h 和 limits.h 时，你必须记住类型前缀和特征，例如， DBL_MAX 包含 double 数据类型的“最大值”特征。通过使用像numeric_limits这样的特征类，类型会成为名称的一部分，因此 double 的最大值将变为numeric_limits<double>::max() ，更重要的是，你不需要知道需要使用哪种类型。例如，以这个简单的模板函数(改编自 [ Veldhuizen ])为例，它返回数组中的最大值：
template< class T >
T findMax(const T const* data,
const size_t const numItems) {
// Obtain the minimum value for type T
T largest =
std::numeric_limits< T >::min();
for (unsigned int i = 0; i < numItems; ++i)
if (data[i] > largest)
largest = data[i];
return largest;
}
注意numeric_limits的用法。正如您所见，与C风格的limits.h习语一样，您必须知道类型，而使用C++ 的traits习语，只有编译器需要知道类型。不仅如此，numeric_limits与大多数traits一样，只需通过创建模板的特化版本即可扩展为包含您自己的自定义类型(例如定点或任意精度算术类)。
我们不讨论numeric_limits，它只是一个trait实际应用的示例，我们介绍如何创建您自己的traits类。
3. 创建自己的特征类
C++ 特征可用于统一不同类型的低级函数接口，从而简化高级模板编程。
例如，如果我们想为不同的数值类型(包括 int32_t，int64_t，float 和 double)创建函数，例如 greater_than_half_maximum，并使用该类型的最大值，那么如果不使用 特征技术，就很难充分利用模板编程的优势。
template <typename T>
bool greater_than_half_maximum(T value)
{
return false;
}
template <>
bool greater_than_half_maximum<int32_t>(int32_t value)
{
// 2^31 - 1
if (value > 2147483647 / 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
template <>
bool greater_than_half_maximum<int64_t>(int64_t value)
{
// 2^63 - 1
if (value > 9223372036854775807 / 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
template <>
bool greater_than_half_maximum<float>(float value)
{
// FLT_MAX defined in cfloat
if (value > FLT_MAX / 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
template <>
bool greater_than_half_maximum<double>(double value)
{
// DBL_MAX defined in cfloat
if (value > DBL_MAX / 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
// Even more specializations for different types.
// ...
从上面的例子我们可以看出，即使我们想使用模板编程，而不使用特征，不同类型的特化实现也是不可避免的。
std::numeric_limits 是 C++ 标准库中的一个类型特征，它定义了不同内置类型的最大值。通过使用 std::numeric_limits<T>::max()，我们无需针对特定用例为不同类型创建特化。
#include <limits>
template <typename T>
bool greater_than_half_maximum(T value)
{
if (value > std::numeric_limits<T>::max() / 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
对于自定义数值类型，例如 NVIDIA __half，我们可以为 std::numeric_limits 创建特化，而不是为 greater_than_half_maximum 创建特化。
namespace std
{
template <>
class numeric_limits<__half>
{
public:
constexpr static __half max()
{
constexpr uint16_t const half_max_bits{ 0x7BFF };
__half const half_max{ *reinterpret_cast<__half const*>(&half_max_bits) };
return half_max;
};
};
} // namespace std
当然，有人可能会说，对于不同的类型，我们必须创建不同的类型特征，这同样需要大量的工作。然而，由于低级类型特征通常比高级特化更具可复用性，因此，相比于高级模板特化，在创建低级类型特征上投入精力更有价值。此外，由于高级模板特化通常比类型特征需要更多行实现，因此创建低级类型特征所需的工作量比高级模板特化要少。
3. C++ 特征对模板逾编程的贡献
C++ 类型特征对于模板逾编程至关重要。我们将了解它如何用于函数模板逾编程和类模板逾编程。
3.1 函数模板逾编程
当类型特征与 std::enable_if 一起使用时，我们可以针对不同类型特化函数实现细节，正如我之前的博客文章“使用 Enable If 进行 C++ 模板特化”中所述。
3.2 类模板逾编程
当类型特征与 std::conditional_t 一起使用时，我们可以针对具有不同类型的成员变量且无法简单模板化的类，特化其实现细节。
例如，C++ <random> 库有两个用于生成均匀分布随机数的函数，包括用于生成整数值的std::uniform_int_distribution和用于生成实数值的 std::uniform_real_distribution。
以下实现使用类型特征 std::is_integral<T>::value 统一了这两个随机数生成函数 std::uniform_int_distribution 和 std::uniform_real_distribution。
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <random>
#include <vector>
template <typename T>
class UniformDist
{
public:
UniformDist(T a, T b) : m_min{ a }, m_max{ b }, m_uniform_dist{ a, b } {}
T operator()(std::mt19937& random_engine)
{
return m_uniform_dist(random_engine);
}
private:
T const m_min;
T const m_max;
using dist_t = std::conditional_t<std::is_integral<T>::value,
std::uniform_int_distribution<T>,
std::uniform_real_distribution<T>>;
dist_t m_uniform_dist;
};
template <typename T>
std::vector<T> create_random_vector(size_t n, T a, T b,
std::mt19937& random_engine)
{
UniformDist<T> uniform_dist{ a, b };
std::vector<T> vec(n, 0.0);
for (size_t i{ 0 }; i < n; ++i)
{
vec[i] = uniform_dist(random_engine);
}
return vec;
}
int main()
{
size_t const n{ 8 };
unsigned int const seed{ 0U };
std::mt19937 random_engine{ seed };
std::vector<double> const random_vector_double{
create_random_vector(n, -16.0, 16.0, random_engine) };
std::cout << "Random Vector of Doubles: " << std::endl;
std::copy(random_vector_double.begin(), random_vector_double.end(),
std::ostream_iterator<double>(std::cout, " "));
std::cout << std::endl;
std::vector<int> const random_vector_int{
create_random_vector(n, -16, 16, random_engine) };
std::cout << "Random Vector of Integers: " << std::endl;
std::copy(random_vector_int.begin(), random_vector_int.end(),
std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));
std::cout << std::endl;
}
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