如何在C++中最佳实现“newtype”习语？

Question

如何在C++中最佳实现“newtype”习语？

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自学 Rust 后，我成为了 newtype 惯用语的粉丝，我认为 Rust 从 Haskell 借鉴了这个惯用语。

新类型是一种基于标准类型的独立类型，它确保函数参数具有正确的类型。例如，下面的 old_enough 函数必须传入年龄。如果传入天数或纯 i64，则无法编译。

struct Days(i64);
struct Years(i64);

fn old_enough(age: &Years) -> bool {
    age.0 >= 18
}

这与C++中的typedef或using声明不同，它只是简单地重命名类型。
例如下面的old_enough函数将接受一个int、一个以Days为单位的年龄或任何其他可以转换为int的内容：

typedef int Days;
using Years = int;

bool old_enough(Years age) {
    return age >= 18;
}

正如上面的示例仅使用整数，这篇 Reddit 帖子建议使用枚举类，例如：

enum class Days : int {};
enum class Years : int {};

bool old_enough(Years age) {
    return static_cast<int>(age) >= 18;
}

或者它可以简单地使用结构，例如Rust：

struct Days final {int value;};
struct Years final {int value;};

bool old_enough(Years age) {
    return age.value >= 18;
}

什么是在C++中实现newtype惯用法的最佳方法？是否有标准方法？

编辑问题使用强类型和typedef类似。然而，它没有考虑到newtype惯用法。

- kenba

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在C++中，您可能会创建一个Year类，并在构造函数和/或赋值级别上进行验证。比如 auto year = new Year(2002) 然后 year.old_enough()，或者对于更严格的实现，当提供无效值时会throw异常。 - tadman

2

如果你真的只需要相同类型但是不同类型，那么它需要相当多的样板文件。幸运的是，有人已经写好了它，你可以使用 BOOST_STRONG_TYPEDEF，但总的来说我同意 tad 的观点，一个“年份”不是一个“整数”，它应该有自己的类型。 - 463035818_is_not_a_number

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这个问题的答案是否能够回答你的疑问？[使用强类型的using和typedef] - underscore_d

3

你的意思是 auto year = Year（2002）;。 - user253751

2

值得注意的是，对于这个特定的例子，C++标准库已经有了std::chrono::years和std::chrono::days，它们本质上已经是这种类型的包装器了。（尽管在这种情况下，还可以从例如std::chrono::days到std::chrono::seconds的隐式转换，其背后的实现将通过正确的转换因子乘以该值。）Boost还有一个单位库，它处理将双精度值包装在SI（或英制单位）中，并在幕后进行转换。 - Daniel Schepler

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3个回答

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我过去使用过 boost strong typedef。它的文档似乎非常简洁，但是就我所知，Facebook正在使用它，并且 LLVM 似乎有一个类似的东西叫做LLVM_YAML_STRONG_TYPEDEF，这表明它可能已经被一些真实世界的应用所采用。

- phimuemue

2

如果你有boost，BOOST_STRONG_TYPEDEF已经实现了你想要的功能，就像这个答案中所看到的那样。

目前在C++语言中没有直接满足您要求的机制。但是，详细的需求可能会有所不同，例如，有人可能认为隐式构造是可以接受的，而另一个人可能认为必须是显式的。由于这种和其他组合的存在，很难提供一个能够满足所有人的机制，我们已经有了普通类型别名（即使用using，当然这与强类型定义不同）。

话虽如此，c++给了你足够的工具，你可以自己构建这个通用工具，如果你有一些模板等经验，这并不是完全困难的。

最终取决于您实际需要的新类型问题，例如，您只需要一些或者您将批量生成这些。对于像年份和天数这样普通的东西，您可以只使用裸的结构体。

struct Days {int value;};

struct Years {int value;};

然而，如果你必须避免这种情况：

bool isold(Years y);

...

isold({5});

您需要创建一个构造器并将其声明为明确的，例如：

struct Years {
   explicit Years(int i);
...

另一种组合可能是，如果新类型应该被允许转换为基础类型，这对于像 int 这样的东西可能很有用，但根据上下文可能也很危险。

- darune

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可以查看英文原文，
原文链接

- dfrib · Accepted Answer

什么是在C++中实现"newtype"习惯用法的最佳方法？评价"最佳"往往会导致偏好领域，但您已经提到了两种替代方法：简单地使用自定义结构体包装一个常见类型（比如int），或者使用枚举类来明确指定强类型近似相同的类型的基础类型。如果你主要是想获得一个常见类型的强类型别名，则可以使用typedef或using语句。

struct Number { int value; }

或者，一种具有可参数化底层类型的常见类型

template<typename ValueType = int>
struct Number { ValueType value; }

另外一种常见的方法（也方便在强类型不同但相关的类型之间重复使用功能）是将 Number 类（模板）扩展为一个基于类型模板 tag 参数的类模板，这样在特化标签类型时就会产生强类型。如 @Matthieu M. 所指出的那样，我们可以将结构体声明为给定特化模板参数列表的一部分，从而允许在单个别名声明中进行轻量级标记声明和别名标记：

template<typename Tag, typename ValueType = int>
struct Number {
    ValueType value;
    // ... common number functionality.
};

using YearNumber = Number<struct NumberTag>;
using DayNumber = Number<struct DayTag>;

void takeYears(const YearNumber&) {}
void takeDays(const DayNumber&) {}

int main() {
    YearNumber y{2020};
    DayNumber d{5};
    
    takeYears(y);
    //takeDays(y);  // error: candidate function not viable
    
    takeDays(d);
    //takeYears(d);  // error: candidate function not viable
    
    return 0;
}

请注意，如果您想为特定标记专门化Number类模板的非成员函数（或例如使用标记调度实现类似的目的），则需要在别名声明之外声明类型标记。