使用C++用户定义字面量来初始化数组

Question

我有一堆测试向量，以十六进制字符串的形式呈现：

MSG: 6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172A
MAC: 070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C
MSG: 6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172AAE2D8A57
MAC: 7D85449EA6EA19C823A7BF78837DFADE

等等，我需要把这些内容以某种方式转换为C++程序，而不需要太多的编辑。 有各种选择：

• 手动将测试向量编辑成0x6B,0xC1,0xBE，...的形式
• 手动将测试向量编辑成“6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172A”的形式，并编写一个函数在运行时将其转换为字节数组。
• 编写一个程序来解析测试向量并输出C++代码。

但我最终使用的是：

• 用户自定义文字,

因为很有趣。 我定义了一个辅助类HexByteArray和一个用户定义的文字操作符HexByteArray operator "" _$ (const char * s)，它解析形如"0xXX...XX"的字符串，其中XX...XX是偶数个十六进制数字。 HexByteArray包括转换运算符const uint8_t *和std :: vector <uint8_t>。 所以现在我可以写例如下的代码：

struct {
  std::vector<uint8_t> MSG ;
  uint8_t* MAC ;
  } Test1 = {
  0x6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172A_$,
  0x070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C_$
  } ;

这很好用。但现在我的问题是：我能否也对数组执行此操作？例如：

uint8_t MAC[16] = 0x070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C_$ ;

甚至更多

uint8_t MAC[] = 0x070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C_$ ;

我看不出如何让这个工作。要初始化一个数组，似乎需要一个std::initializer_list。但据我所知，只有编译器才能实例化这样的东西。有什么想法吗？

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这是我的代码：

HexByteArray.h

#include <cstdint>
#include <vector>

class HexByteArray
  {
public:
  HexByteArray (const char* s) ;
  ~HexByteArray() { delete[] a ; }

  operator const uint8_t*() && { const uint8_t* t = a ; a = 0 ; return t ; }
  operator std::vector<uint8_t>() &&
    {
    std::vector<uint8_t> v ( a, a + len ) ;
    a = 0 ;
    return v ;
    }

  class ErrorInvalidPrefix { } ;
  class ErrorHexDigit { } ;
  class ErrorOddLength { } ;

private:
  const uint8_t* a = 0 ;
  size_t len ;
  } ;

inline HexByteArray operator "" _$ (const char* s)
  {
  return HexByteArray (s) ;
  }

HexByteArray.cpp

#include "HexByteArray.h"

#include <cctype>
#include <cstring>

HexByteArray::HexByteArray (const char* s)
  {
  if (s[0] != '0' || toupper (s[1]) != 'X') throw ErrorInvalidPrefix() ;
  s += 2 ;

  // Special case: 0x0_$ is an empty array (because 0x_$ is invalid C++ syntax)
  if (!strcmp (s, "0"))
    {
    a = nullptr ; len = 0 ;
    }
  else
    {
    for (len = 0 ; s[len] ; len++) if (!isxdigit (s[len])) throw ErrorHexDigit() ;
    if (len & 1) throw ErrorOddLength() ;
    len /= 2 ;
    uint8_t* t = new uint8_t[len] ;
    for (size_t i = 0 ; i < len ; i++, s += 2)
      sscanf (s, "%2hhx", &t[i]) ;
    a = t ;
    }
  }

- TonyK

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为什么不使用std::array？你甚至可以让你的字面量直接返回所需的数组，如auto MAC = 0x070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C_$ ;。 - Baum mit Augen

这个问题与正则表达式完全无关。即使它有关联，为什么会导致被点踩？ - Lightness Races in Orbit

没人强迫你用这种方式做。祝节日快乐！ - Lightness Races in Orbit

那正是问题所在。 - Lightness Races in Orbit

请勿因不喜欢提问者的方法而投反对票。请发表评论或回答，提出不同的方法并解释原因。投票按钮不是评价您是否喜欢该问题，而是评价问题是否呈现清晰、明确且有研究价值。 - Galik

Answer 1

使用一个数字字面量运算符模板，其签名为：

template <char...>
result_type operator "" _x();

此外，由于数据在编译时已知，我们可以将所有内容都设置为constexpr。请注意，我们使用std::array而不是C风格的数组：

#include <cstdint>
#include <array>
#include <vector>

// Constexpr hex parsing algorithm follows:
struct InvalidHexDigit {};
struct InvalidPrefix {};
struct OddLength {};

constexpr std::uint8_t hex_value(char c)
{
    if ('0' <= c && c <= '9') return c - '0';
    // This assumes ASCII:
    if ('A' <= c && c <= 'F') return c - 'A' + 10;
    if ('a' <= c && c <= 'f') return c - 'a' + 10;
    // In constexpr-land, this is a compile-time error if execution reaches it:
    // The weird `if (c == c)` is to work around gcc 8.2 erroring out here even though
    // execution doesn't reach it.
    if (c == c) throw InvalidHexDigit{};
}

constexpr std::uint8_t parse_single(char a, char b)
{
    return (hex_value(a) << 4) | hex_value(b);
}

template <typename Iter, typename Out>
constexpr auto parse_hex(Iter begin, Iter end, Out out)
{
    if (end - begin <= 2) throw InvalidPrefix{};
    if (begin[0] != '0' || begin[1] != 'x') throw InvalidPrefix{};
    if ((end - begin) % 2 != 0) throw OddLength{};

    begin += 2;

    while (begin != end)
    {
        *out = parse_single(*begin, *(begin + 1));
        begin += 2;
        ++out;
    }

    return out;
}

// Make this a template to defer evaluation until later        
template <char... cs>
struct HexByteArray {
    static constexpr auto to_array()
    {
        constexpr std::array<char, sizeof...(cs)> data{cs...};

        std::array<std::uint8_t, (sizeof...(cs) / 2 - 1)> result{};

        parse_hex(data.begin(), data.end(), result.begin());

        return result;
    }

    constexpr operator std::array<std::uint8_t, (sizeof...(cs) / 2)>() const 
    {
        return to_array();
    }

    operator std::vector<std::uint8_t>() const
    {
        constexpr auto tmp = to_array();

        return std::vector<std::uint8_t>{tmp.begin(), tmp.end()};
    }
};

template <char... cs>
constexpr auto operator"" _$()
{
    static_assert(sizeof...(cs) % 2 == 0, "Must be an even number of chars");
    return HexByteArray<cs...>{};
}

演示

使用示例：

auto data_array = 0x6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172A_$ .to_array();
std::vector<std::uint8_t> data_vector = 0x6BC1BEE22E409F96E93D7E117393172A_$;

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作为一个附注，$ 在 标识符 中实际上是 gcc 的扩展，因此它不是标准的 C++。考虑使用除 _$ 之外的 UDL。

- Justin

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这正是我一直在寻找的。谢谢! 我现在被困在gcc 5.3版本上，它不能处理所有那些“constexpr”函数。但我相信我可以让它工作。关于$: 是的，你是对的，尽管我觉得奇怪的是，在标识符中允许使用“GLAGOLITIC CAPITAL LETTER AZU”，但不允许使用“$”。但我还是会保留它，因为它反映了我的基本编译器语法Public S$ =＆H12AB34CD56$。 - TonyK

@TonyK，使用gcc 5.3，如果您只是删除所有的constexpr，我相信它应该可以工作。可能需要一些思考来确保没有太多的副本。 - Justin

Answer 2

这将使其变得更好。

namespace detail{
template <std::size_t C> constexpr std::integral_constant<std::size_t, C> int_c{ };

template <char c>
class hex_decimal_t
{
    constexpr static std::uint8_t get_value() {
        constexpr std::uint8_t k = c - '0';
        if constexpr (k >= 0 && k <= 9) { return k; }
        else if constexpr (k >= 17 && k <= 22) { return k - 7;  }
        else if constexpr (k >= 49 && k <= 54) { return k - 39; }
        else { return std::uint8_t(-1); }
    }
public:
    static constexpr std::uint8_t value = get_value();
    constexpr operator auto() const{
        return value;
    }
};
template <char C> constexpr hex_decimal_t<C> hex_decimal{ };

template <bool B> using bool_type = std::integral_constant<bool, B>;

template <char... cs> struct is_valid_hex : std::false_type { };
template <char... cs> struct is_valid_hex<'0', 'x', cs...> : bool_type<((hex_decimal<cs> != std::uint8_t(-1)) && ...)>{};
template <char... cs> struct is_valid_hex<'0', 'X', cs...> : bool_type<((hex_decimal<cs> != std::uint8_t(-1)) && ...)>{};

template <std::size_t... Is>
constexpr auto expand_over(std::index_sequence<0, Is...>)
{
    return [](auto&& f) -> decltype(auto) {
        return decltype(f)(f)(int_c<Is>...);
    };
}

template <class T,class... F>
constexpr auto select(T, F&&... f) {
    return std::get<T{}>(std::forward_as_tuple(std::forward<F>(f)...));
}
}

template <char... ds>
constexpr auto operator "" _H()
{
    static_assert(detail::is_valid_hex<ds...>{} || sizeof...(ds) < 3, "Not a valid hex number");
    static_assert(!(sizeof...(ds) > 3 && sizeof...(ds) & 0x1), "Hex string must have even length");

    constexpr int Sz = sizeof...(ds);

    constexpr auto expand = detail::select(detail::int_c<(Sz > 3)>,
        [] { return detail::expand_over(std::make_index_sequence<2>{}); },
        [] { return detail::expand_over(std::make_index_sequence<Sz/2>{}); }
    )();

    if constexpr (Sz <= 3) {
        return expand([](auto... Is) {
            constexpr std::array digs{ds...};
            return std::array { (detail::hex_decimal<digs[2 * Is]>)... };
        });
    } else {
        return expand([](auto... Is) {
            constexpr std::array digs{ds...};
            return std::array { ((detail::hex_decimal<digs[2 * Is]> << 4) | detail::hex_decimal<digs[2 * Is + 1]>)... };
        });
    }
}

---

constexpr auto arr = 0x070A16B46B4D4144F79BDD9DD04A287C_H;
static_assert(arr.size() == 16);
static_assert(std::get<0>(arr) == 0x7);
static_assert(std::get<arr.size() - 1>(arr) == 0x7C);

Live demo

- Jans

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谢谢！不幸的是，我只能接受一个答案，否则我也会接受这个。 - TonyK

Answer 3

这是基于 @Justin 的答案的完全编译时 static_assert 版本。

udl 操作符直接返回 std::array。您可以简单地定义其他 udl 操作符，它们返回 std::tuple<std::integral_constant<char, c>...> 或甚至使用 HexArrayBuilder 实现类返回 vector。

这是 c++11 版本。检查字符有效性的 static_assert 可以用 c++17 方式编写，如注释行所示。

#include <array>
#include <type_traits>
#include <tuple>

struct HexArrayHelper {
    static constexpr bool valid(char c) { return ('0' <= c && c <= '9') || ('A' <= c && c <= 'F') || ('a' <= c && c <= 'f'); }
    static constexpr char hex_value(char c) {
        return ('0' <= c && c <= '9') ? c - '0'
             : ('A' <= c && c <= 'F') ? c - 'A' + 10
             : c - 'a' + 10;
    }
    static constexpr char build(char a, char b) {
        return (hex_value(a) << 4) + hex_value(b);
    };
};

template <char... cs>
struct HexArray {
    static constexpr std::array<char, sizeof...(cs)> to_array() { return {cs...}; }
    static constexpr std::tuple<std::integral_constant<char, cs>...> to_tuple() { return {}; }
};

template <typename T, char... cs>
struct HexArrayBuilder : T {};

template <char... built, char a, char b, char... cs>
struct HexArrayBuilder<HexArray<built...>, a, b, cs...> : HexArrayBuilder<HexArray<built..., HexArrayHelper::build(a, b)>, cs...> {
    static_assert(HexArrayHelper::valid(a) && HexArrayHelper::valid(b), "Invalid hex character");
};

 template <char zero, char x, char... cs>
struct HexByteArray : HexArrayBuilder<HexArray<>, cs...> {
    static_assert(zero == '0' && (x == 'x' || x == 'X'), "Invalid prefix");
    // static_assert(std::conjunction<std::bool_constant<HexArrayHelper::valid(cs)>...>::value, "Invalid hex character");
};

template <char... cs>
constexpr auto operator"" _hexarr() -> std::array<char, sizeof...(cs) / 2 - 1> {
    static_assert(sizeof...(cs) % 2 == 0 && sizeof...(cs) >= 2, "Must be an even number of chars");
    return HexByteArray<cs...>::to_array();
}

auto x = 0X1102030405060708abcdef_hexarr;

- YumeYao