用户定义的文字字符串：编译时长度检查答案

【问题标题】：User-defined literal string: compile-time length check用户定义的文字字符串：编译时长度检查
【发布时间】：2018-05-12 14:51:36
【问题描述】：

我有一个用户定义的文字运算符，它只对特定长度的字符串有意义，如下所示：

constexpr uint16_t operator "" _int(const char* s, std::size_t len)
{
    return len == 2 ? s[0] | (s[1] << 8) : throw;
}

这行得通：

"AB"_int // equals 16961

但这也可以编译，我不希望它：

"ABC"_int // throws at runtime

我尝试了static_assert(len == 2)，但它不允许在 constexpr 函数中使用。

如何让"ABC"_int 在编译时导致错误？

【问题讨论】：

如果与静态断言一起使用 constexpr？使用len作为模板参数，std::enable_if?
@SamVarshavchik，参数在常量表达式中不可用。 constexpr 函数意味着在编译时和运行时都可以使用。还有更多空间，但这就是我们现在所拥有的一切。
如果您使用 clang 和 g++ 支持的模板化 UDL 扩展（可能会成为未来的标准），您可以这样做。
这里的无参数 throw 是一个 rethrow，它应该终止程序，除非它恰好在某个地方的 catch 子句中。
声明const size_t len会有区别吗？

标签： c++ c++11 static-assert compile-time-constant user-defined-literals

【解决方案1】：

如何让"ABC"_int 在编译时出错？

举例：初始化一个constexpr变量

constexpr auto foo = "ABC"_int;

否则（如果您不以某种方式强制编译时间计算）编译器不会计算（不是强制性的，但实际上是这样）编译时间，而是为运行时编译准备代码。

【讨论】：

@MarkRansom - 哦！谢谢。
这不能回答问题。这是 OP 显然不知道的有用信息，但这不是答案。应该是评论；标记为这样。
@Cheersandhth.-Alf - 在我看来，回答了这个问题；显然，如果 OP 打算“我怎样才能让“ABC”_int 在编译时导致 ever 出错？”，并没有给出解决方案，而是解释（在我看来很清楚）这是不可能的。等待版主操作。
我意识到使用constexpr 中的值会使"ABC"_int 无法编译，但我希望"ABC"_int 即使在constexpr 之外使用也无法编译。另一种说法是，我希望运算符始终被评估为constexpr，如果不能，它应该无法编译。
@JohnZwinck - 抱歉：以这种形式（char const * 和大小的文字运算符）我认为这是不可能的（目前）。如果您对数字感兴趣（12_int 而不是 "AB"_int），则可以使用字符串文字的模板形式（例如，static_assert()）。但我想你也对所有字符感兴趣。

【解决方案2】：

#include <iostream>
#include <cstdint>
using namespace std;

constexpr uint16_t operator "" _int(char const * s, size_t len)
{
    return (len == 2) ? s[0] | (s[1] << 8) : throw "len must be 2!";
}

int main()
{
    constexpr uint16_t i1 = "AB"_int; // OK
    cout << i1 << endl; // outputs 16961

    constexpr uint16_t i2 = "ABC"_int; // error
    cout << i2 << endl;

    return 0;
}

prog.cpp: In function ‘int main()’:
prog.cpp:13:29:   in constexpr expansion of ‘operator""_int(((const char*)"ABC"), 3ul)’
prog.cpp:7:52: error: expression ‘<throw-expression>’ is not a constant-expression
     return (len == 2) ? s[0] | (s[1] << 8) : throw "len must be 2!";
                                                    ^~~~~~~~~~~~~~~~

Live Demo

【讨论】：

这不能回答问题。这是 OP 显然不知道的有用信息，但这不是答案。应该是评论；标记为这样。
@Cheersandhth.-Alf 它确实回答了以下问题：“我怎样才能让"ABC"_int 在编译时导致错误？”。你甚至尝试过吗？错误信息不好看，但它确实只出现在"ABC"_int，"AB"_int 编译良好并输出所需的输出
问题是“如何让“ABC”_int 在编译时导致错误”。您尝试的答案是，在一个特定的上下文中，初始化一个 constexpr 值，它会在编译时导致错误。 OP 明确要求提供一种通用机制，而不是一个特定的特殊上下文。
所以，你应该解释你用代码表达的内容（你能想到的单一特殊上下文），并将其作为评论发布，并删除这个尝试的答案。

【解决方案3】：

不幸的是，作为评论发布是不切实际的。

除了使不良文字成为编译时错误之外的修复：

已修复有符号值的移位。
使用不带参数的throw。
明确假设 8 位字节。

#include <iostream>
#include <stdint.h>
#include <limits.h>         // CHAR_BIT
using namespace std;

using Byte = unsigned char;
const int bits_per_byte = CHAR_BIT;

static_assert( bits_per_byte == 8, "!" );

constexpr auto operator "" _int( char const* s, std::size_t len )
    -> uint16_t 
{ return len == 2 ? Byte( s[0] ) | (Byte( s[1] ) << 8u) : throw "Bah!"; }

#define CHAR_PAIR( s ) static_cast<uint16_t>( sizeof( char[s ## _int] ) )

auto main()
    -> int
{
    CHAR_PAIR( "AB" );              // OK
    CHAR_PAIR( "ABC" );             //! Doesn't compile as ISO C++.
}

有了 Visual C++，这就是我们所需要的。

g++ 在这方面不太符合标准，因此为该编译器添加选项-Werror=vla。

使用 g++，您也可以使用以下宏：

#define CHAR_PAIR( s ) []() constexpr { constexpr auto r = s##_int; return r; }()

这会提供更丰富的错误消息，但 Visual C++ 2017 不支持。

【讨论】：

所以您依赖 throw 作为三元的无效表达式？这很聪明。
乍一看，这正是 OP 正在做的事情。你的有什么不同？
@Mark：operator""_int 实现的三个不同点列在要点中。该代码显示了如何获得 OP 想要的编译时间检查，但不幸的是不是他喜欢的语法。这就是为什么这也不是一个答案（字面上的答案只是“对不起，这不可能”），但不幸的是，将所有这些都塞进 SO 评论中是不切实际的。

【解决方案4】：

在C++20之前，可以用宏包裹std::integral_constant，使throw触发编译错误。

    constexpr uint16_t operator "" _int(const char* s, std::size_t len)
    {
        return len == 2 ? s[0] | (s[1] << 8) : throw;
    }

    void test()
    {
#define FORCE_CONSTANT(val) std::integral_constant<decltype(val), (val)>::value

        FORCE_CONSTANT("AB"_int);
        // FORCE_CONSTANT("ABC"_int); // error, expected compile-time constant expression
    }

从 C++20 开始，事情变得容易了，用户定义的文字被允许为string literal operator template。 (cppref)

因此，以下代码将按您的预期工作。

template <size_t kCount>
struct template_str_buffer
{
    using char_type = char;

    consteval template_str_buffer(const char_type(&str)[kCount]) noexcept
    {
        for (size_t i = 0; i < kCount; ++i) {
            data[i] = str[i];
        }
    }

    char_type data[kCount];
    constexpr static size_t count = kCount - sizeof(char_type);
};

template <template_str_buffer kStrBuf>
consteval uint16_t operator""_int()
{
    static_assert(kStrBuf.count == 2);
    return kStrBuf.data[0] | (kStrBuf.data[1] << 8);
}

void test()
{
    "AB"_int;
    // "ABC"_int; // static assertion failed
}

【讨论】：