引言

尽管标准库中已经有了typeid运算符,但是由于其需要支持检查多态类型,带来了非常多的限制:

  1. 它必须启用 RTTI(Run-Time Type Information)。而很多项目是禁用 RTTI 的,所以无法使用typeid
  2. 它可能对表达式进行求值,详见 cppreference 。这可能带来意外的运行时开销甚至副作用,尤其是常用的sizeofdecltype都是完全静态的,不熟悉typeid的程序员可能完全意识不到这种动态行为的产生。
  3. 它不是constexpr的,即使其类型本可以静态求出。这意味着很多场景都无法使用 typeid,比如模板参数、switch-case 语句的 case 值等。

这就是我们为什么需要编译期类型信息,即 CTTI(Compile-Time Type Information)。

实现原理

C++ 标准中并没有提供相关的设施供我们实现这一功能。但通过 GCC 和 Clang 的一个特殊的预定义变量__PRETTY_FUNCTION__,CTTI 得以实现。这个变量的值是当前函数完整签名的字符串。当在一个模板函数内部调用的时候,也会包含模板参数的类型名,这就达到了我们获取类型名字的目的。

注意,类似于标准中提供的__func____PRETTY_FUNCTION__是一个变量,因此它没法被用来初始化字符数组或者跟字符串字面量拼接在一起。MSVC 没有__PRETTY_FUNCTION__,但是有一个类似功能的宏__FUNCSIG__,它被替换为一个字符串字面量。

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template<typename T>
constexpr std::string_view pretty_function() {
    return __PRETTY_FUNCTION__;
}

在 Clang 上,调用pretty_function<int>()会返回std::string_view pretty_function() [T = int],可以看到T的类型正在其中。

请注意,这里的typename T不能直接省略成typename,否则将不会出现T的类型名。

当我们确定了函数名之后,返回的字符串的格式就确定了。我们可以去掉无用的前后缀,从而提取出我们实际需要的类型名。

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constexpr const char PREFIX[] = "std::string_view pretty_function() [T = ";
constexpr const char SUFFIX[] = "]";

template<typename T>
constexpr std::string_view type_name() {
    auto name = pretty_function<T>();
    name.remove_prefix(sizeof(PREFIX) - 1);
    name.remove_suffix(sizeof(SUFFIX) - 1);
    return name;
}

这样我们就实现了std::type_info::name的功能。再实现一个 constexpr 的 hash 函数,我们就实现了std::type_index::hash_code的功能。

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constexpr size_t FNV_BASIS = 14695981039346656037ull;
constexpr size_t FNV_PRIME = 1099511628211ull;

constexpr size_t fnv1a_hash(std::string_view str) {
    size_t hash = FNV_BASIS;
    for (char c: str) hash = (hash ^ c) * FNV_PRIME;
    return hash;
}

template<typename T>
constexpr size_t type_hash() {
    auto name = type_name<T>();
    return fnv1a_hash(name);
}

关键的部分基本都解决了。有了这些,我们就可以组装出std::type_infostd::type_index等类了。

可移植性

上面的代码中,__PRETTY_FUNCTION__是编译器相关的,其内容也是编译器相关的,需要针对不同编译器分别指定预定义变量/宏、PREFIXSUFFIX。如果更改了相关函数的签名或者所在的命名空间,也需要相应地更改PREFIXSUFFIX。其余的部分都是可移植的。

这里用到了 C++17 的std::string_view,它是可以 constexpr 构造的。而在 C++17 之前则可以直接返回const char*或者自己实现一个可 constexpr 构造的std::string_view类似物。

安全性

__PRETTY_FUNCTION__中的类型名是带有完整命名空间路径以及模板参数(如果有的话)的,在不违背 C++ 的「单一定义规则」(One Definition Rule,ODR)的情况下,这一名字保证在每个翻译单元内唯一。若违背了 ODR,则程序非良构。

实际测试下,即使对于 C++20 的类类型模板参数(指 Class Types in Non-Type Template Parameters),GCC、Clang、MSVC 三家也均能输出其中具体的内容,从而保证名字唯一。而其他的编译器在写下这篇文章的时候都还没有支持这个特性。

更多

有一个名为 CTTI 的库是基于同样的原理写成的,本文在写作的过程中参考了它的代码。