浅析 declval 关键字
文章目录
- 浅析 declval 关键字
- 前言
- declval 的基本概念
- declval 的工作原理
- declval 的实际应用案例
- 总结
前言
在现代C++编程中，std::declval是一个非常有用的工具，它允许我们在不实例化对象的情况下使用其类型。这在模板元编程中尤其重要，因为它使得我们能够在编译时进行类型推导，而无需关心对象的构造。std::declval的引入极大地增强了C++的表达能力，使得编写通用代码和库变得更加灵活和强大。
declval 的基本概念
std::declval是一个模板函数，它可以将任何类型T转换为右值引用T&&。这个函数主要用于decltype表达式中，以便在不实例化对象的情况下推导成员函数的返回类型。
说到底 declval 到底能干什么？它就是用于返回一个 T 对象的伪造实例，同时又具有右值引用参考。换句话说，它等价于下面的 objref 的编译期态：
T obj{};
T &objref = obj{};
首先，它在词法和语义上等价于 objref，是对象 T 的实例值，且具有 T&& 的类型；其次，它仅用于非求值的场合；再次，它并不真的存在。
说人话就是在编译期中，需要一个值对象，但并不希望这个值对象被编译为一个二进制实体，那就用 declval 虚拟地构造一个，从而彷佛获得了一个临时对象，可以在该对象上施加操作，例如调用成员函数什么的，但既然是虚拟的，就不会真的存在这么个临时对象，所以我称之为伪实例。
例如，如果你想知道某个类Foo的成员函数bar的返回类型，你可以这样写：
decltype(std::declval<Foo>().bar())
这行代码不会创建Foo的实例，也不会调用bar函数，它只是用于类型推导。
declval 的工作原理
具体来说，std::declval的实现通常如下所示：
template<class T>
typename std::add_rvalue_reference<T>::type declval() noexcept;
这个函数模板会将类型T转换为右值引用T&&。这里的std::add_rvalue_reference是一个类型特性，它会给T添加一个右值引用。如果T已经是一个引用类型，那么根据C++的引用折叠规则，结果仍然是一个合法的引用类型。
这种设计使得std::declval可以在编译时期进行类型推导，而无需担心对象的构造和初始化，这对于模板编程和泛型编程来说非常有用。
declval 的实际应用案例
在未求值上下文中的应用
未求值上下文是指表达式的类型被计算，但表达式本身并不被执行
std::declval只能在未求值的上下文中使用，比如decltype和sizeof表达式。在这些上下文中，表达式的类型被计算，但表达式本身并不被执行。因此，即使std::declval看似返回了一个对象的引用，实际上并没有创建对象实例，也没有调用任何函数。
下图很好的总结了 declval 的适用场景和案例：
与 decltype 配合
#include <iostream>
namespace {
struct base_t { virtual ~base_t(){} };
template<class T>
struct Base : public base_t {
virtual T t() = 0;
};
template<class T>
struct A : public Base<T> {
~A(){}
virtual T t() override { std::cout << "A" << '\n'; return T{}; }
};
}
int main() {
decltype(std::declval<A<int>>().t()) a{}; // = int a;
decltype(std::declval<Base<int>>().t()) b{}; // = int b;
std::cout << a << ',' << b << '\n';
}
可以看到，A<int> 的伪实例能够“调用” A 的成员函数 t()，然后借助于 decltype 我们就可以拿到 t() 的返回类型，并用来声明一个具体的变量 a。
无默认构造函数
如果一个类没有定义默认构造函数，在元编程环境中可能是很麻烦的。例如下面的 decltype 就无法通过编译：
struct A{
A() = delete;
int t(){ return 1; }
}
int main(){
decltype(A().t()) i; // 编译报错
}
因为 A() 是不存在的。
但改用 declval 就能够绕过问题了：
int main(){
decltype(std::declval<A>().t()) i; // OK
}
纯虚类
在纯虚基类上有时候元编程会比较麻烦，这时候可能可以借助 declval 来避开纯虚基类不能实例化的问题。
struct base_t { virtual ~base_t(){} };
template<class T>
struct Base : public base_t
{
virtual T t() = 0;
};
int main()
{
decltype(std::declval<Base<int>>().t()) b{}; // 注意这里获得了抽象类的成员函数返回值类型
}
总结
通过本文的探讨，我们对std::declval有了更深入的理解。它不仅是模板元编程的重要工具，也是现代C++中不可或缺的一部分。虽然std::declval只能在未求值的上下文中使用，但它在类型推导和模板编程中发挥着关键作用。
