如何判断模板类型参数是否是STL容器？

目标：实现 is_stl_container_v<T>, 如果 T 是一个stl容器，返回true，否则返回false

STL中有哪些容器

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根据文档，C++ 11 开始，STL中的容器分为三类，

  • 顺序，Squence，包括 vector, array, deque, forward_list, list
  • 关联，Associative，包括 set, map, multiset, multimap

  • 无序关联，Unordered associative，包括 unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, unordered_multimap .

  • 除去上面三种容器，还有 “容器适配器”，Container Adaptors, 它们提供访问顺序容器的接口，包括 stack, queue, priority_queue C++23中还加入了 flat 前缀的一组，包括 flat_set, flat_map, flat_mulitset, flat_multimap
  • 此外，在C++20中新增的 span, C++23中新增的mdspan ,属于 “视图”，View，提供对不持所有权的一组数据的访问接口

Named requirements

cppreference

在C++标准中，描述对标准库实现的期望。 C++20中新增了 concept。Named requirements比concept早，可以用 concept 来写 named requirements. 目前（23年）标准库没有描述容器的概念，不过可以根据 named requirements 中的内容自己定义 SO

标准库容器的 named requirements

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假设容器类型(vector, list等)为 C, 容器的类型参数即容器中元素的类型为 T，即， 容器的完整类型为 C<T>

标准库容器的named requirements，即，标准对于标准库的实现要求包括下面几个部分：

  1. 类型定义：
    • 容器需要有value_type, reference, const_reference,iterator,const_iterator,difference_type,size_type 这样的类型定义，即，对于容器 C<T> ，需要有C<T>::value_type, C<T>::等reference
    • 类型定义需要符合要求，如：C<T>::value_type 需要等于 T ； T 需要能够拷 贝构造(另一个named requirements: CopyConstructible)； C<T>::size_type 要 是无符号整数，且要能够表示 C<T>::difference_type的所有正数取值，等
  2. 成员函数和操作符：
    • 函数/操作符的签名、返回值、前后条件、时间复杂度、行为都有规定
    • 构造、赋值、析构：支持无参构造，支持拷贝构造、移动构造，支持拷贝赋值、移动赋值，析构时销毁容器内所有元素并释放内存
    • 迭代器：支持获取begin/end, cbegin/cend
    • 状态、判断：支持判断两个容器是否相同，支持size,max_size,empty
    • 支持 swap
  3. 线程安全
  4. 对容器和元素类型需要满足的 named requirements

C++14中的一个初步实现

使用SFINAE，配合标准对于容器的实现要求，即named requirements: Container 中的内容，可以实现一个粗糙的版本：

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

template <typename T, typename U>
constexpr bool is_same_v = std::is_same<T, U>::value;

#define I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF(name)                                                                                    \
    template <typename T, typename = void>                                                                             \
    constexpr bool has_##name = false;                                                                                 \
    template <typename T>                                                                                              \
    constexpr bool has_##name<T, void_t<typename T::name>> = true;

I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF(value_type)
I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF(iterator)
I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF(const_iterator)
I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF(size_type)

template <typename T, typename = void>
constexpr bool is_iterable = false;
template <typename T>
constexpr bool
    is_iterable<T,
                void_t<std::enable_if_t<is_same_v<decltype(std::declval<T>().begin()), typename T::iterator>>,
                       std::enable_if_t<is_same_v<decltype(std::declval<T>().end()), typename T::iterator>>>> = true;

template <typename T, typename = void>
constexpr bool is_const_iterable = false;
template <typename T>
constexpr bool is_const_iterable<
    T,
    void_t<std::enable_if_t<is_same_v<decltype(std::declval<T>().cbegin()), typename T::const_iterator>>,
           std::enable_if_t<is_same_v<decltype(std::declval<T>().cend()), typename T::const_iterator>>>> = true;

template <typename T, typename = void>
constexpr bool is_sizeable = false;
template <typename T>
constexpr bool
    is_sizeable<T, void_t<std::enable_if_t<is_same_v<decltype(std::declval<T>().size()), typename T::size_type>>>> =
        true;

template <typename T>
constexpr bool is_stl_container_like_v = has_value_type<T>&& has_iterator<T>&& has_const_iterator<T>&&
    has_size_type<T>&& is_iterable<T>&& is_const_iterable<T>&& is_sizeable<T>;

上面的实现中，判断了下列内容：

  • 是否有 value_type
  • 是否有 iterator
  • 是否有 const_iterator
  • 是否有 size_type
  • 是否有 begin() end() 方法, 返回值是否为 iterator
  • 是否有 cbegin() cend() 方法，返回值是否为 const_iterator
  • 是否有 size() 方法，返回值是否为 size_type

一些实现细节：

  • I2T_HAS_XXX_TRAIT_DEF 是一个 x-macro, 参考了boost库里实现类似trait判断的代码，
  • void_t 和 is_same_v 都在 C++17才加入std，所以抄过来了

TODO

  • 补全对于类型的测试
  • 尝试使用C++20的concept实现