Boost C++ 库

...世界上最受尊敬和专家设计的 C++ 库项目之一。 — Herb Sutter 和 Andrei Alexandrescu, C++ 编码标准

Boost 概念检查库 (BCCL)

概念检查库允许用户以概念的风格添加显式声明和检查，该风格类似于提议的 C++ 语言扩展。

概要

C++ 中的泛型编程的特点是使用模板参数来表示抽象数据类型（或“概念”）。然而，C++ 语言本身并没有提供一种机制，让类或函数模板的编写者能够显式地声明用户提供的模板参数应该建模（或符合）的概念。模板参数通常以它们需要建模的概念命名，作为对用户的提示，并在代码中明确概念要求。然而，编译器并不会特殊对待这些特殊名称：名为 `RandomAccessIterator` 的参数与名为 `T` 的参数对编译器来说没有什么不同。此外，

由不正确的模板参数导致的编译器错误消息可能特别难以理解。通常情况下，错误不会指向模板调用站点的位置，而是暴露模板的内部结构，而用户不应该看到这些内部结构。
如果没有编译器的检查，文档化的需求通常是模糊的、不正确的或不存在的，因此用户无法确切知道需要什么样的参数。
文档化的概念要求可能无法完全*涵盖*实际模板的需求，这意味着即使提供的模板参数满足文档化的要求，用户也可能收到编译器错误。
文档化的概念要求可能过于严格，要求的比模板实际需要的更多。
代码中的概念名称可能会与文档化的要求不同步。

Boost 概念检查库提供

一种在使用模板参数时对其插入编译时检查的机制。
一个通过概念检查类指定概念要求的框架。
一种验证概念要求是否涵盖模板的机制。
一套与 C++ 标准库中的概念要求匹配的概念检查类和原型类。
一种替代使用特征类来访问关联类型的方案，该方案反映了为下一个 C++ 标准提出的语法。

这些机制使用标准 C++，并且不会引入运行时开销。使用该机制的主要成本在于编译时。

**每个编写类或函数模板的程序员都应该将概念检查作为代码编写例程的常规部分。** 应该为组件公共接口中的每个模板参数插入概念检查。如果概念是标准库中的一个，则只需使用 BCCL 中匹配的概念检查类。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。

文档分为以下几个部分。

Jeremy Siek 贡献了这个库。Beman Dawes 管理了正式审查。 Dave Abrahams 贡献了一个重写，更新了语法，使其与 C++ 核心语言提出的概念支持语法更加兼容。

简介

概念是一组要求（有效的表达式、关联的类型、语义不变量、复杂性保证等），一个类型必须满足这些要求才能作为参数正确地用于调用泛型算法。在 C++ 中，概念由函数模板（泛型算法）的形式模板参数表示。然而，C++ 没有显式表示概念的机制——模板参数仅仅是占位符。按照惯例，这些参数的名称与所需的概念相对应，但是当模板参数绑定到实际类型时，C++ 编译器不会强制遵守该概念。

自然地，如果使用不满足概念至少语法要求的类型调用泛型算法，则会发生编译时错误。然而，这个错误本身并不能反映该类型没有满足概念的所有要求。相反，错误可能发生在实例化层次结构深处，在表达式对该类型无效或假定的关联类型不可用的地方。 resulting error messages are largely uninformative and basically impenetrable.

我们需要一种在实例化点（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++ 结构来强制执行早期概念合规性，并在不合规时提供更具信息量的错误消息。

请注意，此技术仅解决概念的语法要求（有效的表达式和关联类型）。我们不处理语义不变量或复杂性保证，这些也是概念要求的一部分。

示例

我们提供一个简单的示例来说明模板库的不正确使用以及由此产生的错误消息。在下面的代码中，泛型std::stable_sort()标准模板库 (STL)[3, 4,5] 中的算法应用于链表。

  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 }

这里，std::stable_sort()算法的原型如下

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

尝试使用 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，根本错误是std:complex<float>没有建模 LessThanComparable 概念。不幸的是，错误消息中没有任何内容向用户表明这一点。

对于具有足够模板库经验的 C++ 程序员来说，这个错误可能很明显，但是对于新手来说，这个消息可能很难理解，原因有几个

错误消息与
std::stable_sort()和 LessThanComparable 的文档化要求之间没有文本关联。
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`）。
错误消息中列出了如此多的内部库函数，程序员很容易推断问题出在库中，而不是在他或她自己的代码中。

以下是我们可能期望从更具信息量的消息中得到的内容的示例（实际上是 Boost 概念检查库产生的内容）

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’

此消息纠正了标准错误消息的几个缺点。

该消息明确提到了用户可以在 STL 文档中查找的概念（LessThanComparable）。
错误消息现在更短了，并且没有显示内部 STL 函数，甚至没有指向 `std::stable_sort`。
存在concept_check.hpp错误消息中的内容提醒用户错误在于用户代码中，而不是在库实现中。

历史

这个概念检查系统的第一个版本是由 Jeremy Siek 在 SGI 的 C++ 编译器和库组工作时开发的。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 中的概念检查不同之处在于，概念检查类的定义得到了极大的简化，代价是错误消息中的措辞不太有用。2006 年，Dave Abrahams 重写了该系统（保留了向后兼容性），使其更易于使用，更类似于 C++ 核心语言提出的概念支持，并提供更好的错误消息。

出版物

C++ 模板研讨会 2000，概念检查

致谢

使用函数指针来导致实例化的想法来自 Alexander Stepanov。我们不确定使用表达式来预先检查模板的想法的起源，但它确实出现在 D&E[ 2] 中。感谢 Matt Austern 对 STL 概念的出色文档和组织，这些概念检查就是基于这些概念。感谢 Boost 成员的有益评论和审查。

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Jeremy Siek([email protected]) Andrew Lumsdaine([email protected]), 2007 David Abrahams。