Effective C++ 规则47: 请使用 Traits Class 表现类型信息

1、背景

C++ 是一种静态类型语言，类型的特性在编译期就可以被识别和操作。为了更好地利用编译期信息来编写高效、灵活、可维护的代码，C++ 提供了一些技术来“萃取”或“提取”类型的相关信息。即利用 traits 类来封装和提取类型信息，以便在编译期进行各种类型相关的判断和操作。Traits Class（类型萃取类）是一个用来提取类型信息的模板类。通过 traits class，我们可以在编译期获得类型的各类信息，并根据这些信息在模板代码中进行分支选择或优化。traits class 通过模板特化的方式来为不同类型提供不同的行为。通常，traits class 会定义一组静态成员（比如 value 或 type），这些成员可以在编译期提供类型的属性或特征。

2、Traits Class 的基本原理

一个 traits class 一般是通过模板类来实现的，模板类通过特化为不同类型提供不同的行为。下面是一个简单的例子，定义了一个判断类型是否为指针的 traits class：

// 默认情况下，假设 T 不是指针
template <typename T>
struct is_pointer {
    static const bool value = false;
};

// 特化：如果 T 是指针类型，则 value 为 true
template <typename T>
struct is_pointer<T*> {
    static const bool value = true;
};

使用 is_pointer traits class 来判断一个类型是否为指针：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << is_pointer<int>::value << std::endl;      // 输出 0（false）
    std::cout << is_pointer<int*>::value << std::endl;     // 输出 1（true）
    return 0;
}

在上面的代码中：

• is_pointer 是一个 traits class，用来判断某个类型是否为指针类型。
• 对于类型 int，它的特化版本的 value 为 false，表示 int 不是指针。
• 对于类型 int*，它的特化版本的 value 为 true，表示 int* 是指针类型。

3、为什么要使用Traits Class

在 C++ 模板编程中，我们常常需要为不同的类型编写通用的代码。然而，某些类型可能具有不同的行为，或者某些操作在某些类型上可能不可行。此时，使用 traits class 可以让我们在编译期根据类型的不同特性做出不同的决策，从而使得模板代码更加灵活且高效。

• 编译期类型信息，通过 traits class，我们可以在编译期获得类型的各种信息，如是否为指针、是否为容器、是否为数值类型等。通过这些信息，可以在编译期做出决定，而无需在运行时进行计算。
• 增强的模板特化，C++ 中的模板特化使得我们可以为不同的类型提供不同的实现。traits class 是实现这种特化的一种常用方式。通过 traits，我们可以在不同类型之间做出灵活的分支，而不必为每种类型都写一个完整的模板特化版本。
• 提高代码的通用性和可维护性，使用 traits class 可以大大提高模板代码的通用性，使得我们能够以一种更加通用的方式处理不同的类型，而不需要手动处理每种类型的特殊情况。此外，traits class 也使得代码更加易于维护，因为类型的特性被集中管理，并且通过静态成员变量可以快速查看和修改。

4、使用 Traits Class 的实际案例

• 提取类型的元素类型，假设我们有一个容器类型 std::vector，我们想要从容器中提取元素类型。我们可以使用 traits class 来实现这一目标：

// 定义一个 traits class 来提取容器类型的元素类型
template <typename T>
struct element_type {
    typedef typename T::value_type type;
};

// 使用示例
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    typedef std::vector<int> Vec;
    typedef element_type<Vec>::type ElementType;
    ElementType x = 10; // ElementType 被推导为 int
    std::cout << x << std::endl; // 输出 10
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了 element_type traits class，它通过 T::value_type 提取了容器 T 中存储的元素类型。对于 std::vector，element_type::type 被推导为 int。

• 类型特化与分支选择，我们可以使用 traits class 来为不同类型实现不同的行为：

#include <iostream>
#include <type_traits>

// 默认版本
template <typename T>
void print_type(const T& x) {
    std::cout << "Non-pointer: " << x << std::endl;
}

// 特化版本：处理指针类型
template <typename T>
void print_type(T* x) {
    std::cout << "Pointer: " << *x << std::endl;
}

int main() {
    int a = 10;
    int* p = &a;

    print_type(a); // 输出：Non-pointer: 10
    print_type(p); // 输出：Pointer: 10
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了两个 print_type 函数，一个是处理非指针类型的版本，另一个是处理指针类型的版本。通过 traits class 和模板特化，编译器可以根据参数的类型自动选择合适的函数版本。

5、Traits Class 与现代 C++

现代 C++（特别是 C++11 及以后版本）提供了更多的功能和工具，使得 traits class 更加强大和灵活。例如，C++11 引入了 constexpr 和 type_traits 库，后者提供了大量常用的类型 traits，如 std::is_pointer、std::is_integral 等。使用标准库中的traits

#include <type_traits>
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << std::is_pointer<int>::value << std::endl;      // 输出 0（false）
    std::cout << std::is_pointer<int*>::value << std::endl;     // 输出 1（true）
    return 0;
}

在这个例子中，标准库的 std::is_pointer traits 用来判断一个类型是否是指针类型，它们的工作方式与我们自己实现的 traits 类似，但更强大和丰富。