C++ 是否支持编译时计数器？

Question

出于自省的目的，有时我想自动为类型分配序列号或类似的东西。

不幸的是，模板元编程本质上是一种函数式语言，因此缺少可以实现这种计数器的全局变量或可修改状态。

是吗？

---

请求示例代码：

#include <iostream>

int const a = counter_read;
counter_inc;
counter_inc;
counter_inc;
counter_inc;
counter_inc;

int const b = counter_read;

int main() {
    std::cout << a << ' ' << b << '\n'; // print "0 5"
    
    counter_inc_t();
    counter_inc_t();
    counter_inc_t();
    
    std::cout << counter_read << '\n'; // print "8"
    
    struct {
        counter_inc_t d1;
        char x[ counter_read ];
        counter_inc_t d2;
        char y[ counter_read ];
    } ls;
    
    std::cout << sizeof ls.x << ' ' << sizeof ls.y << '\n'; // print "9 10"
}

Answer 1

嗯……是的，模板元编程没有预期的副作用。我被旧版本 GCC 中的一个错误和标准中的一些不清楚的措辞误导了我相信所有这些功能都是可能的。

但是，至少可以在几乎不使用模板的情况下实现命名空间范围的功能。函数查找可以从声明的函数集中提取数值状态，如下所示。

库代码：

template< size_t n > // This type returns a number through function lookup.
struct cn // The function returns cn<n>.
    { char data[ n + 1 ]; }; // The caller uses (sizeof fn() - 1).

template< typename id, size_t n, size_t acc >
cn< acc > seen( id, cn< n >, cn< acc > ); // Default fallback case.

/* Evaluate the counter by finding the last defined overload.
   Each function, when defined, alters the lookup sequence for lower-order
   functions. */
#define counter_read( id ) \
( sizeof seen( id(), cn< 1 >(), cn< \
( sizeof seen( id(), cn< 2 >(), cn< \
( sizeof seen( id(), cn< 4 >(), cn< \
( sizeof seen( id(), cn< 8 >(), cn< \
( sizeof seen( id(), cn< 16 >(), cn< \
( sizeof seen( id(), cn< 32 >(), cn< 0 \
/* Add more as desired; trimmed for Stack Overflow code block. */ \
                      >() ).data - 1 ) \
                      >() ).data - 1 ) \
                      >() ).data - 1 ) \
                      >() ).data - 1 ) \
                      >() ).data - 1 ) \
                      >() ).data - 1 )

/* Define a single new function with place-value equal to the bit flipped to 1
   by the increment operation.
   This is the lowest-magnitude function yet undefined in the current context
   of defined higher-magnitude functions. */
#define counter_inc( id ) \
cn< counter_read( id ) + 1 > \
seen( id, cn< ( counter_read( id ) + 1 ) & ~ counter_read( id ) >, \
          cn< ( counter_read( id ) + 1 ) & counter_read( id ) > )

快速演示 (see it run)：

struct my_cnt {};

int const a = counter_read( my_cnt );
counter_inc( my_cnt );
counter_inc( my_cnt );
counter_inc( my_cnt );
counter_inc( my_cnt );
counter_inc( my_cnt );

int const b = counter_read( my_cnt );

counter_inc( my_cnt );

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << a << ' ' << b << '\n';

    std::cout << counter_read( my_cnt ) << '\n';
}

C++11 更新

这是使用 C++11 constexpr 代替 sizeof 的更新版本。

#define COUNTER_READ_CRUMB( TAG, RANK, ACC ) counter_crumb( TAG(), constant_index< RANK >(), constant_index< ACC >() )
#define COUNTER_READ( TAG ) COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 1, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 2, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 4, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 8, \
    COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 16, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 32, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 64, COUNTER_READ_CRUMB( TAG, 128, 0 ) ) ) ) ) ) ) )

#define COUNTER_INC( TAG ) \
constexpr \
constant_index< COUNTER_READ( TAG ) + 1 > \
counter_crumb( TAG, constant_index< ( COUNTER_READ( TAG ) + 1 ) & ~ COUNTER_READ( TAG ) >, \
                                                constant_index< ( COUNTER_READ( TAG ) + 1 ) & COUNTER_READ( TAG ) > ) { return {}; }

#define COUNTER_LINK_NAMESPACE( NS ) using NS::counter_crumb;

template< std::size_t n >
struct constant_index : std::integral_constant< std::size_t, n > {};

template< typename id, std::size_t rank, std::size_t acc >
constexpr constant_index< acc > counter_crumb( id, constant_index< rank >, constant_index< acc > ) { return {}; } // found by ADL via constant_index

http://ideone.com/yp19oo

声明应放在命名空间内，并且在宏中使用的所有名称（counter_crumb 除外）都应完全限定。 counter_crumb 模板是通过与 constant_index 类型的 ADL 关联找到的。

COUNTER_LINK_NAMESPACE 宏可用于在多个命名空间范围内增加一个计数器。

Answer 2

我相信 MSVC 和 GCC 都支持 __COUNTER__ 预处理器令牌，该令牌具有单调递增的值。

Answer 3

我想解决这个问题已经有一段时间了，并想出了一个非常简单的解决方案。至少我值得一票来试试这个。 :))

以下库代码实现命名空间级别的功能。即我成功实施counter_read和counter_inc；但不是counter_inc_t（在函数内部递增，因为函数内部不允许template 类）

template<unsigned int NUM> struct Counter { enum { value = Counter<NUM-1>::value }; };
template<> struct Counter<0> { enum { value = 0 }; };

#define counter_read Counter<__LINE__>::value
#define counter_inc template<> struct Counter<__LINE__> { enum { value = Counter<__LINE__-1>::value + 1}; }

此技术使用模板元编程并利用__LINE__ 宏。 请参阅 the result 以获取答案中的代码。

Answer 4

由于分享是关怀，我花了几个小时摆弄基本示例 this 边提供，我也将发布我的解决方案。

文章中链接的版本有两个主要缺点。由于最大递归深度（通常在 256 左右），它可以计算的最大数量也非常低。而且一旦达到几百个以上的计数，编译所花费的时间是巨大的。

通过执行二进制搜索来检测计数器的标志是否已设置，可以大量增加最大计数（可通过 MAX_DEPTH 控制）并同时缩短编译时间。 =)

使用示例：

static constexpr int a = counter_id();
static constexpr int b = counter_id();
static constexpr int c = counter_id();

#include <iostream>

int main () {
    std::cout << "Value a: " << a << std::endl;
    std::cout << "Value b: " << b << std::endl;
    std::cout << "Value c: " << c << std::endl;
}

完整的代码，最后带有示例：（clang 除外。请参阅 cmets。）

// Number of Bits our counter is using. Lower number faster compile time,
// but less distinct values. With 16 we have 2^16 distinct values.
#define MAX_DEPTH 16

// Used for counting.
template<int N>
struct flag {
    friend constexpr int adl_flag(flag<N>);
};

// Used for noting how far down in the binary tree we are.
// depth<0> equales leaf nodes. depth<MAX_DEPTH> equals root node.
template<int N> struct depth {};

// Creating an instance of this struct marks the flag<N> as used.
template<int N>
struct mark {
    friend constexpr int adl_flag (flag<N>) {
        return N;
    }

    static constexpr int value = N;
};

// Heart of the expression. The first two functions are for inner nodes and
// the next two for termination at leaf nodes.

// char[noexcept( adl_flag(flag<N>()) ) ? +1 : -1] is valid if flag<N> exists.
template <int D, int N, class = char[noexcept( adl_flag(flag<N>()) ) ? +1 : -1]>
int constexpr binary_search_flag(int,  depth<D>, flag<N>,
        int next_flag = binary_search_flag(0, depth<D-1>(), flag<N + (1 << (D - 1))>())) {
    return next_flag;
}

template <int D, int N>
int constexpr binary_search_flag(float, depth<D>, flag<N>,
        int next_flag = binary_search_flag(0, depth<D-1>(), flag<N - (1 << (D - 1))>())) {
    return next_flag;
}

template <int N, class = char[noexcept( adl_flag(flag<N>()) ) ? +1 : -1]>
int constexpr binary_search_flag(int,   depth<0>, flag<N>) {
    return N + 1;
}

template <int N>
int constexpr binary_search_flag(float, depth<0>, flag<N>) {
    return N;
}

// The actual expression to call for increasing the count.
template<int next_flag = binary_search_flag(0, depth<MAX_DEPTH-1>(),
        flag<(1 << (MAX_DEPTH-1))>())>
int constexpr counter_id(int value = mark<next_flag>::value) {
    return value;
}

static constexpr int a = counter_id();
static constexpr int b = counter_id();
static constexpr int c = counter_id();

#include <iostream>

int main () {
    std::cout << "Value a: " << a << std::endl;
    std::cout << "Value b: " << b << std::endl;
    std::cout << "Value c: " << c << std::endl;
}

Answer 5

您可以使用来自 Boost.Preprocessor 的BOOST_PP_COUNTER。

优点：它甚至适用于宏

缺点：整个程序只有一种“计数器种类”，但可以为专用计数器重新实现机制

Answer 6

这是另一种替代实现。 https://stackoverflow.com/a/6174263/1190123 可能更好，但即使在纸上手动完成几个增量之后，我仍然不太了解数学/过滤。

这使用 constexpr 函数递归来计算非模板声明的 Highest 函数的数量。 __COUNTER__ 用作生成机制，以防止 Highest 的新声明进行自递归。

这仅在我 (3.3) 上编译。我不确定它是否合规，但我充满希望。 g++ 4.8 由于某些未实现的功能而失败（根据错误）。由于 constexpr 错误，英特尔编译器 13 也失败了。

256级计数器

每个计数器的最大计数为 250 (CounterLimit)。 CounterLimit 可以增加到 256，除非您实现下面的 LCount 内容。

实施

#include <iostream>
#include <type_traits>

constexpr unsigned int CounterLimit = 250;

template <unsigned int ValueArg> struct TemplateInt { constexpr static unsigned int Value = ValueArg; };

template <unsigned int GetID, typename, typename TagID>
constexpr unsigned int Highest(TagID, TemplateInt<0>)
{
    return 0;
}

template <unsigned int GetID, typename, typename TagID, unsigned int Index>
constexpr unsigned int Highest(TagID, TemplateInt<Index>)
{
    return Highest<GetID, void>(TagID(), TemplateInt<Index - 1>());
}

#define GetCount(...) \
Highest<__COUNTER__, void>(__VA_ARGS__(), TemplateInt<CounterLimit>())

#define IncrementCount(TagID) \
template <unsigned int GetID, typename = typename std::enable_if<(GetID > __COUNTER__ + 1)>::type> \
constexpr unsigned int Highest( \
    TagID, \
    TemplateInt<GetCount(TagID) + 1> Value) \
{ \
      return decltype(Value)::Value; \
}

测试

struct Counter1 {};
struct Counter2 {};
constexpr unsigned int Read0 = GetCount(Counter1);
constexpr unsigned int Read1 = GetCount(Counter1);
IncrementCount(Counter1);
constexpr unsigned int Read2 = GetCount(Counter1);
IncrementCount(Counter1);
constexpr unsigned int Read3 = GetCount(Counter1);
IncrementCount(Counter1);
constexpr unsigned int Read4 = GetCount(Counter1);
IncrementCount(Counter1);
IncrementCount(Counter2);
constexpr unsigned int Read5 = GetCount(Counter1);
constexpr unsigned int Read6 = GetCount(Counter2);

int main(int, char**)
{
    std::cout << "Ending state 0: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<0>()) << std::endl;
    std::cout << "Ending state 1: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<1>()) << std::endl;
    std::cout << "Ending state 2: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<2>()) << std::endl;
    std::cout << "Ending state 3: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<3>()) << std::endl;
    std::cout << "Ending state 4: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<4>()) << std::endl;
    std::cout << "Ending state 5: " << Highest<__COUNTER__, void>(Counter1(), TemplateInt<5>()) << std::endl;
    std::cout << Read0 << std::endl;
    std::cout << Read1 << std::endl;
    std::cout << Read2 << std::endl;
    std::cout << Read3 << std::endl;
    std::cout << Read4 << std::endl;
    std::cout << Read5 << std::endl;
    std::cout << Read6 << std::endl;

    return 0;
}

输出

Ending state 0: 0
Ending state 1: 1
Ending state 2: 2
Ending state 3: 3
Ending state 4: 4
Ending state 5: 4
0
0
1
2
3
4
1

250 * 250 级计数器

如果您想要高于 256 的值，我认为您可以组合计数器。我做了 250 * 250（尽管我并没有真正测试过 2 的计数）。 CounterLimit 必须降低到 250 左右才能获得编译器编译时递归限制。请注意，这花费了我更多的时间来编译。

实施

template <typename, unsigned int> struct ExtraCounter { };

template <unsigned int GetID, typename, typename TagID>
constexpr unsigned int LHighest(TagID)
{
    return Highest<GetID, void>(ExtraCounter<TagID, CounterLimit>(), TemplateInt<CounterLimit>()) * CounterLimit +
        Highest<GetID, void>(
            ExtraCounter<TagID, Highest<GetID, void>(ExtraCounter<TagID , CounterLimit>(), TemplateInt<CounterLimit>())>(),
            TemplateInt<CounterLimit>());
}
#define GetLCount(TagID) \
LHighest<__COUNTER__, void>(TagID())

#define LIncrementTag_(TagID) \
typename std::conditional< \
    GetCount(ExtraCounter<TagID, GetCount(ExtraCounter<TagID, CounterLimit>)>) == CounterLimit - 1, \
    ExtraCounter<TagID, CounterLimit>, \
    ExtraCounter<TagID, GetCount(ExtraCounter<TagID, CounterLimit>)>>::type
#define IncrementLCount(TagID) \
template <unsigned int GetID, typename = typename std::enable_if<(GetID > __COUNTER__ + 7)>::type> \
constexpr unsigned int Highest( \
    LIncrementTag_(TagID), \
    TemplateInt<GetCount(LIncrementTag_(TagID)) + 1> Value) \
{ \
      return decltype(Value)::Value; \
}

测试

struct Counter3 {};
constexpr unsigned int Read7 = GetLCount(Counter3);
IncrementLCount(Counter3);
constexpr unsigned int Read8 = GetLCount(Counter3);

Answer 7

我自己经历了这整件事，最终提出了一个似乎符合标准的解决方案（在我写这篇文章的时候）并且可以与 gcc、clang、msvc 和 icc 一起使用他们的最新版本和大多数旧版本。

我已经在另一个帖子中谈到了整个过程：C++ compile time counters, revisited。

然后我将the solution 打包到fameta::counter 类中，该类解决了一些剩余的怪癖。

你可以find it on github。

Answer 8

不幸的是，模板元编程本质上是一个函数式 语言，因此缺少全局变量或可修改状态 会实现这样的计数器。

是吗？

C++ 允许编译时间计数器（即没有__COUNTER__、__LINE__ 或此处之前提出的其他方法）以及为每个模板实例分配和定义内部 int 唯一 ID。请参阅v1 解决方案，了解使用链接分配的 ID 的模板元编程实现的计数器，以及第二个用例的v2。这两种解决方案都是"How can I generate dense unique type IDs at compile time?" 的答案。但该任务对唯一的 ID 分配器有一个重要要求。

Answer 9

从 C++20 开始。

你有source_location，它可以从 C++ 函数生成索引，根本不需要宏。

示例代码

#include <source_location> // merged in C++20

constexpr auto Generate(const std::source_location& location =
                            std::source_location::current()) {
  return location.line();
}

现在您可以通过一个源文件将其用作计数器，或者为带有文件名的源位置添加编译时哈希函数以获得唯一索引。