C++中是否有类似于C#中关键字"where"的东西？

Question

我需要在C++中创建一个模板类。我需要确保模板参数的类型是一个有1个int字段和1个string字段的类（可以有更多的字段，但这两个是必需的）。

例如，在C#中，我可以定义一个带有方法或属性的接口，如下所示：

interface MyInterface {
    int GetSomeInteger();
    string GetSomeString();
}

然后我可以在我的模板类中使用它：

class MyClass<T> where T: MyInterface {}

有没有办法在C++中做类似这样的事情？

- user13353974

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你说“field”，但你的示例包含了方法。如果你的“fields”都是方法，那么这可以很容易地通过使用std::enable_if<>和std::is_base_of<>来实现，但成员变量则是一个更加复杂的问题。 - user4442671

我相信新引入的“概念”（C++20）是为此而设计的。 - Adam

在C++中，直接检查所需内容比检查继承更为常见，但是两种方式都是可行的。 - chris

Answer 1

C++20为您提供了最接近C#的解决方案:

#include <concepts>

template <class T>
concept MyInterface = requires(T x)
{
    { x.GetSomeInteger() } -> std::same_as<int>;
};

然后：

template <MyInterface T>
struct MyClass
{
    // ...
};

- Acorn

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为什么需要 same_as？我刚写了我的第一个概念并发布了答案，没有意识到它必须是/应该是 std::same_as<int>。 - 463035818_is_not_a_number

根据我对[expr.prim.req.compound]的阅读，返回类型要求使用一个类型约束，该约束必须是根据[temp.param]中的概念定义的。 - Acorn

这个博客帮助我更好地理解了一些内容。GCC的支持似乎还处于实验阶段。它不支持<concepts>，并且只接受带有-> int的行。 - 463035818_is_not_a_number

最初的提案使用了语法 { x.GetSomeInteger() } -> int;，但后来被认为不够清晰，容易引起混淆：这是否确切地意味着 int？它接受 cv int 吗？还是可转换为 int？而且没有明确的主要用例（有时想要其中一个，有时想要另一个）。因此现在需要一个明确的语法。 - bolov

为了测试概念，我建议使用大多数编译器和标准库的最新预览/HEAD版本。希望在几个月内情况会好得多！ - Acorn

Answer 2

在当前版本的C++中，最常用的方法是一种称为“鸭子类型”的技术。 它简单地涉及使用T作为实现接口的类，并在您使用不兼容类型的类时让编译器失败。

template<typename T>
class MyClass<T> {
  int foo() {
    T val;
    return val.GetSomeInteger();
  }
};

class Valid {
public:
  int GetSomeInteger() {return 0;}
};

class Invalid {
};

int main() {
  // works fine
  MyClass<Valid> a;
  a.foo();

  // fails to compile
  MyClass<Invalid> b;
  b.foo();
} 

请注意，确实有一些更正式的强制执行方法，但涉及的代码量通常不值得收益。

- user4442671

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std::enable_if 让 SFINAE 变得更容易（虽然仍然不简单），但是编译器错误得到了很大的改善，通常不必限制超过必要的程度。 - 463035818_is_not_a_number

std::enable_if 允许许多巧妙的技巧，但我通常更喜欢 static_assert。这个会有更容易理解的编译器错误提示。 - Mooing Duck

Answer 3

C++20引入了概念（Concepts）特性，一些编译器已经支持。例如，可以使用以下命令在gcc (trunk) -std=c++2a -fconcepts下进行编译：

#include <string>
#include <iostream>
#include <concepts>

template<typename T>
concept HasGetIntAndString = requires(T& a) {
    { a.GetSomeInteger() } -> std::same_as<int>;
    { a.GetSomeString() } -> std::same_as<std::string>;
};

template <HasGetIntAndString T>
void bar(const T& t){
    std::cout << t.GetSomeInteger() << " " << t.GetSomeString();
}

struct foo {
    int GetSomeInteger() const { return 42; }
    std::string GetSomeString() const { return "some"; }
};

struct foo_not {
    std::string GetSomeInteger() { return "some"; }
    int GetSomeString() { return 42; }
};

int main(){
    bar( foo{});
    bar( foo_not{});
}

结果是：

<source>: In function 'int main()':    
<source>:28:19: error: use of function 'void bar(const T&) [with T = foo_not]' with unsatisfied constraints   
   28 |     bar( foo_not{});    
      |                   ^    
<source>:12:6: note: declared here    
   12 | void bar(const T& t){    
      |      ^~~    
<source>:12:6: note: constraints not satisfied
<source>: In instantiation of 'void bar(const T&) [with T = foo_not]':    
<source>:28:19:   required from here    
<source>:6:9:   required for the satisfaction of 'HasGetIntAndString<T>' [with T = foo_not]    
<source>:6:30:   in requirements with 'T& a' [with T = foo_not]    
<source>:7:23: note: 'a.GetSomeInteger()' does not satisfy return-type-requirement    
    7 |     { a.GetSomeInteger() } -> std::same_as<int>;    
      |       ~~~~~~~~~~~~~~~~^~    
<source>:8:22: note: 'a.GetSomeString()' does not satisfy return-type-requirement    
    8 |     { a.GetSomeString() } -> std::same_as<std::string>;    
      |       ~~~~~~~~~~~~~~~^~    
cc1plus: note: set '-fconcepts-diagnostics-depth=' to at least 2 for more detail

实时演示

在 C++20 之前，您可以使用 SFINAE。然而，通常情况下，不要限制模板参数的更多属性会更简单和更合适。如果模板确实调用了 T::GetSomeInteger() 但类型 T 没有这样的方法，那么模板将无法编译而不需要采取任何进一步措施。SFINAE 主要是为了提供更好的错误消息。

- 463035818_is_not_a_number