概念检查库 - Boost C++ 函数库

Boost 概念检查库 (BCCL)

概念检查库 (Concept Check library) 允许用户按照提议的 C++ 语言扩展风格，对概念 (concepts) 进行显式声明和检查。

概要

C++ 泛型编程的特点是使用模板参数来表示抽象数据类型（或称“概念”）。然而，C++ 语言本身并没有为类或函数模板的编写者提供一种机制，来明确声明用户提供的模板参数应当遵循（或符合）什么概念。通常会将模板参数命名为它们所需遵循的概念，以此作为给用户的提示，并使代码中的概念需求显式化。但是，编译器并不以特殊方式对待这些特殊名称：对编译器而言，名为 RandomAccessIterator 的参数与名为 T 的参数没有任何区别。此外，

由错误的模板参数导致的编译器错误信息可能极其难以破译。通常情况下，错误信息并不指向模板调用的位置，而是暴露了模板的内部实现，而这正是用户本不应看到的。
由于缺乏编译器的检查，文档化的需求往往模糊不清、不准确，甚至不存在，因此用户无法确切知道期望什么样的参数。
文档化的概念需求可能无法完全覆盖 (cover) 模板的实际需求，这意味着即使提供的模板参数符合文档化的需求，用户仍可能收到编译错误。
文档化的概念需求可能过于严格，要求的条件超出了模板实际所需的范围。
代码中的概念名称可能会与文档化的需求不同步。

Boost 概念检查库提供了：

一种在模板参数使用点插入编译期检查的机制。
一种通过概念检查类来指定概念需求的框架。
一种验证概念需求是否覆盖了模板的机制。
一套与 C++ 标准库中的概念需求相匹配的概念检查类和原型 (archetype) 类。
一种替代特征类 (traits classes) 来访问关联类型的方案，它镜像了下一代 C++ 标准中所提议的语法。

这些机制使用标准 C++，且不会引入运行时开销。使用该机制的主要代价在于编译时间。

每个编写类或函数模板的程序员都应将概念检查作为代码编写日常的一部分。 应当为组件公共接口中的每个模板参数插入一个概念检查。如果该概念属于标准库，则只需使用 BCCL 中对应的概念检查类。如果不是，则编写一个新的概念检查类——毕竟，它们通常只有几行代码。对于新的概念，还应该创建一个匹配的原型类，它是该概念的最小骨架实现。

本文档分为以下几个部分：

Jeremy Siek 贡献了此库。Beman Dawes 管理了正式评审。Dave Abrahams 贡献了重写版本，更新了语法，使其与提议中的 C++ 核心语言概念支持语法更加兼容。

介绍

概念 (concept) 是一组要求（有效表达式、关联类型、语义不变量、复杂度保证等），类型必须满足这些要求才能作为泛型算法调用的参数被正确使用。在 C++ 中，概念由函数模板（泛型算法）的正式模板参数表示。然而，C++ 没有用于表示概念的显式机制——模板参数仅仅是占位符。按照惯例，这些参数被赋予与所需概念相对应的名称，但当模板参数绑定到实际类型时，C++ 编译器并不会强制执行该概念合规性。

当然，如果一个泛型算法被一个不满足概念语法要求的类型调用，将会发生编译时错误。但是，此错误本身并不反映该类型不满足概念的所有要求这一事实。相反，错误可能发生在实例化层次结构的深处，即在表达式对该类型无效，或预期的关联类型不可用处。由此产生的错误信息通常极其晦涩且难以理解。

所需要的是一种在实例化点（或接近实例化点）强制执行“概念安全”的机制。Boost 概念检查库使用一些标准的 C++ 构造来强制执行早期的概念合规性，并在不合规时提供信息更丰富的错误消息。

请注意，此技术仅解决了概念的语法要求（有效表达式和关联类型）。我们并未解决作为概念需求一部分的语义不变量或复杂度保证问题。

动机示例

我们提供了一个简单的示例来说明模板库的不正确用法及产生的错误信息。在下方的代码中，泛型std::stable_sort()算法来自标准模板库 (STL)[3, 4,5]，被应用于一个链表。

  bad_error_eg.cpp:
1 #include <vector>
2 #include <complex>
3 #include <algorithm>
4 
5 int main()
6 {
7     std::vector<std::complex<float> > v;
8     std::stable_sort(v.begin(), v.end());
9 }

在此处，std::stable_sort()算法的原型如下所示

  template <class RandomAccessIterator>
  void stable_sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last);

尝试用 Gnu C++ 编译此代码会产生以下编译器错误

/usr/include/c++/4.1.2/bits/stl_algo.h: In function ‘void std::
  __insertion_sort(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator) [with 
  _RandomAccessIterator = __gnu_cxx::__normal_iterator<std::complex<float
  >*, std::vector<std::complex<float>, std::allocator<std::complex<
  float> > > >]’:
/usr/include/c++/4.1.2/bits/stl_algo.h:3066:   instantiated from ‘void 
  std::__inplace_stable_sort(_RandomAccessIterator, 
  _RandomAccessIterator) [with _RandomAccessIterator = __gnu_cxx::
  __normal_iterator<std::complex<float>*, std::vector<std::complex<
  float>, std::allocator<std::complex<float> > > >]’
/usr/include/c++/4.1.2/bits/stl_algo.h:3776:   instantiated from ‘void 
  std::stable_sort(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator) [with 
  _RandomAccessIterator = __gnu_cxx::__normal_iterator<std::complex<float
  >*, std::vector<std::complex<float>, std::allocator<std::complex<
  float> > > >]’
bad_error_eg.cpp:8:   instantiated from here
/usr/include/c++/4.1.2/bits/stl_algo.h:2277: error: no match for 
  ‘operator<’ in ‘__val < __first. __gnu_cxx::__normal_iterator<
  _Iterator, _Container>::operator* [with _Iterator = std::complex<float
  >*, _Container = std::vector<std::complex<float>, std::allocator<
  std::complex<float> > >]()’

在这种情况下，根本错误在于std:complex<float>不符合 LessThanComparable 概念。遗憾的是，错误信息中没有任何内容向用户指出这一点。

对于拥有足够多模板库经验的 C++ 程序员来说，错误可能显而易见，但对于新手来说，该消息难以理解的原因有几个：

错误消息与 LessThanComparable 的文档化要求之间没有文本相关性。std::stable_sort()（接上文）
错误消息过长，列出了用户不知道（也不应该知道！）的 STL 内部函数（例如 __insertion_sort）。
由于错误消息中列出了太多的库内部函数，程序员很容易推断出问题出在库里，而不是他们自己的代码中。

以下是我们期望看到的更具信息量的消息示例（实际上也是 Boost 概念检查库所产生的结果）

boost/concept_check.hpp: In destructor ‘boost::LessThanComparable<TT>::~
  LessThanComparable() [with TT = std::complex<float>]’:
boost/concept/detail/general.hpp:29:   instantiated from ‘static void boost::
  concepts::requirement<Model>::failed() [with Model = boost::
  LessThanComparable<std::complex<float> >]’
boost/concept/requires.hpp:30:   instantiated from ‘boost::_requires_<void
  (*)(boost::LessThanComparable<std::complex<float> >)>’
bad_error_eg.cpp:8:   instantiated from here
boost/concept_check.hpp:236: error: no match for ‘operator<’ in ‘((boost::
  LessThanComparable<std::complex<float> >*)this)->boost::
  LessThanComparable<std::complex<float> >::a < ((boost::
  LessThanComparable<std::complex<float> >*)this)->boost::
  LessThanComparable<std::complex<float> >::b’

该消息纠正了标准错误消息的几个缺点。

该消息明确引用了用户可以在 STL 文档中查找的概念（LessThanComparable）。
错误消息现在短得多，且不会显示内部 STL 函数，甚至不会指向 std::stable_sort。
在错误消息中出现concept_check.hpp警示用户错误位于用户代码中，而不是库的实现中。

历史

该概念检查系统的第一个版本由 Jeremy Siek 在 SGI C++ 编译器和库小组工作时开发。该版本现在是 SGI STL 发行版的一部分。最初作为 Boost 概念检查库引入的系统与 SGI STL 中的概念检查不同，在于它大大简化了概念检查类的定义，代价是错误消息中的说明不够详尽。2006 年，Dave Abrahams 对该系统进行了重写（保留了向后兼容性），使其更易于使用，更类似于提议的 C++ 核心语言概念支持，并提供了更好的错误消息。

出版物

C++ 模板研讨会 2000，概念检查

致谢

使用函数指针来触发实例化的想法归功于 Alexander Stepanov。我们不确定使用表达式来对模板进行预先检查的想法起源于何处，但它确实出现在《D&E》[ 2] 中。感谢 Matt Austern 为 STL 概念所做的出色文档和组织工作，这些概念检查正是基于此。感谢 Boost 成员提供的有益评论和评审。

下一节：使用概念检查

Jeremy Siek(jsiek@osl.iu.edu) Andrew Lumsdaine(lums@osl.iu.edu), 2007 David Abrahams.

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