使用constexpr、SFINAE和/或type_traits进行char*、char数组和字符串字面量的重载解析

Question

我遇到了一个有趣的挑战，我已经尝试解决几个小时了，但是经过多次研究和尝试失败后，我发现自己问了这个问题。

我想编写3个重载函数，每个函数分别接受以下类型之一：const char*，const char(&)[N] 和 字符串字面量(例如"BOO")。 我知道字符串字面量只是一个char数组，但是请容许我解释我的方法。

下面的两个函数能够通过包装类CharPtrWrapper区分前两种类型(const char* 和 const char(&)[N])：

#include <iostream>

class CharPtrWrapper
{
public:
    CharPtrWrapper(const char* charPtr)
        : m_charPtr(charPtr)
    {

    }

    const char * m_charPtr;
};

void processStr(CharPtrWrapper charPtrWrapper)
{
    std::cout << "From function that takes a CharPtrWrapper = " << charPtrWrapper.m_charPtr << '\n';
}

template<std::size_t N>
void processStr(const char (&charArr)[N])
{
    std::cout << "From function that takes a \"const char(&)[N]\" = " << charArr << '\n';
}

int main()
{
    const char* charPtr = "ABC";
    processStr(charPtr);

    const char charArr[] = {'X', 'Y', 'Z', '\0'};
    processStr(charArr);
}

输出：

From function that takes a CharPtrWrapper = ABC
From function that takes a "const char(&)[N]" = XYZ

现在，如果我使用字符串字面量调用processStr(例如processStr("BOO"))，将调用接受const char(&)[N]的版本，这是有道理的，因为字符串字面量只是一个char数组。

这就是问题的关键所在。我一直没有能够编写出一个能够区分char数组和字符串字面量的函数。我想可能会有一个方案，就是编写一个接收rvalue引用的版本：

template<std::size_t N>
void processStr(const char (&&charArr)[N])
{
    std::cout << "From function that takes a \"const char(&&)[N]\" = " << charArr << '\n';
}

但事实上，字符串字面值是左值。我也尝试了使用std :: enable_if和std :: is_array的不同版本，但仍然没有得到我想要的结果。

因此，我的问题是：在现代C ++中，是否有可能区分char数组和字符串字面值？

- user3266738

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为什么？为什么？你需要这个吗？ - Walter

为什么需要区分这两个？我甚至不认为这是可能的，但是再次强调，字符串字面值和 char * 之间有什么重要的区别？ - user10957435

请查看我昨天提出的这个问题，以了解为什么我需要这样做。我想改进一个开源库。 - user3266738

我还没有能够编写一个函数，可以区分字符数组和字符串字面值。字符串字面值就是字符数组，它们的类型完全相同，所以你无法区分它们。甚至它是一个左值，所以你也不能根据左值/右值来区分它们。 - NathanOliver

你可能可以使用C++20中的consteval来实现你的实际目标，但我认为仅使用C++17是没有办法的。 - Miles Budnek

编译器更喜欢非模板重载，而不是可能更适合的模板重载。虽然我不知道原因，但这已经是自C++11之前的行为了。 - Nathan Ernst

Answer 1

最初的回答：

根据 [expr.prim.id.unqual]：

[...] 表达式的类型是标识符的类型。结果是由标识符所表示的实体。如果实体是函数、变量或数据成员，表达式是左值；否则，它是右值。如果标识符指定了一个位域，则它是位域（[dcl.struct.bind]）。

因此，对于一个声明：

const char arr[] = "foo";

表达式arr是类型为const char[4]的lvalue。

根据[lex.string]/8：

普通字符串字面量和UTF-8字符串字面量也被称为窄字符串字面量。 窄字符串字面量的类型为“长度为n的const char数组”，其中n如下所定义，并具有静态存储期。

根据[expr.prim.literal]：

字面值是主要表达式。它的类型取决于其形式。 字符串字面量是lvalue；所有其他字面值都是prvalue。

因此，表达式"foo"是类型为const char[4]的lvalue。

结论：函数无法区分（const）char数组和字符串字面量。

- L. F.

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谢谢您的回答，@L. F.！我很失望这是不可能的，因为我觉得如果可以的话，它会非常有益。 - user3266738

Answer 2

我也一直在研究如何优化编译时字符串字面量。虽然我认为在C++中没有标准的方法来做到这一点，但我发现在GCC、Clang和Intel编译器中，至少可以使用__builtin_constant_p内建函数来确定值是否是常量。

请注意，这个内建函数不能可靠地用于指针或引用本身（因为指针的常量折叠在Clang中目前不起作用，并且即使是常量指针也不能保证常量内容），所以诀窍是手动遍历字符串并验证每个字符是否是常量。

#include <cstdlib>

constexpr bool is_const_str(const char *s) {
    for (; *s; s++) {
        if (!__builtin_constant_p(*s)) return false;
    }
    return true;
}

bool test_dynamic(const char *s) {
    return is_const_str(s);
}

bool test_const() {
    return is_const_str("Hello, world!");
}

这是一个Godbolt链接，演示了在GCC和Clang中的工作情况。

https://godbolt.org/z/ch89Wd8Yb

在这两个程序集中，你可以看到test_const被折叠成1（也就是true），而test_dynamic被折叠成对第一个字符的简单检查（也就是，如果字符串为空，则被视为常量，否则不是）。

test_dynamic(char const*):                    # @test_dynamic(char const*)
        cmp     byte ptr [rdi], 0
        sete    al
        ret
test_const():                        # @test_const()
        mov     al, 1
        ret

我找不到MSVC的替代方案，但至少可以很容易地添加一个针对MSVC的回退，始终返回false，这样代码仍然有效且可以编译，只是无法从所述的优化中受益。

还值得注意的是，与常规的constexpr函数不同，这个内置函数依赖于优化 - 也就是说，只有在编译器能够证明输入字符都是常量时，它才会返回true，而这只能在内联之后才能实现，而在调试模式下不会发生内联。只要你只用它来进行自己的优化，应该没问题，但如果用于其他用途，就不能依赖它返回可预测的结果。

- RReverser