在 C++ 中创建编译时键值映射

Question

我尝试在 C++ 中创建一个编译时简单键值映射。我正在使用/std:c++11 进行编译。 （内嵌代码使用IAR编译器，目前只支持cpp++11）

我对元编程有所了解。

如果找不到键，我不希望我的地图有默认值， 喜欢这篇文章：How to build a compile-time key/value store?

如果在我的代码中我试图获取一个未存储在映射中的值，我想得到编译器错误。

这是我所做的：

#include <iostream>




template <int kk, int vv>
struct KeyValue
{
    static const int k = kk, v = vv;
};


// Declaration 
template <typename kv, typename...>
struct CompileTimeMap;


// Recursive Definition 
template<typename kv, typename... rest>
struct CompileTimeMap<kv, rest...>
{
    template<int k_input>
    struct get
    {
        static const int val = (k_input == kv::k) ? kv::v : CompileTimeMap<rest...>::get<k_input>::val;
    };
};


// Base Definition 
template <typename kv>
struct CompileTimeMap<kv>
{
    template<int k_input>
    struct get
    {
        static const int val = (k_input == kv::k) ? kv::v;
    };
};




// ----------------------------- Main  -----------------------------

typedef CompileTimeMap<KeyValue<10, 20>, KeyValue<11, 21>, KeyValue<23, 7>> mymap;

int main()
{
    // This calles should be ok !! :) 
    std::cout << mymap::get<10>::val << std::endl;
    std::cout << mymap::get<11>::val << std::endl;
    std::cout << mymap::get<23>::val << std::endl;


    // This line should resolve a compile error !! (there is no key of 33) 
    std::cout << mymap::get<33>::val << std::endl;
}

我收到以下错误：error C2131: expression did not evaluate to a constant。

我怎样才能做到这一点？非常感谢:)

Answer 1

不要在没有必要的地方编写模板元程序。试试这个简单的解决方案（CTMap 代表编译时间图）：

template <class Key, class Value, int N>
class CTMap {
public:
    struct KV {
        Key   key;
        Value value;
    };

    constexpr Value  operator[] (Key key) const
    {
        return Get (key);
    }

private:
    constexpr Value  Get (Key key, int i = 0) const
    {
        return i == N ?
               KeyNotFound () :
               pairs[i].key == key ? pairs[i].value : Get (key, i + 1);
    }

    static Value KeyNotFound ()     // not constexpr
    {
        return {};
    }

public:
    KV  pairs[N];
};


constexpr CTMap<int, int, 3>  ctMap {{ { 10, 20 }, { 11, 21 }, { 23, 7 } }};


static_assert (ctMap[10] == 20, "Error.");
static_assert (ctMap[11] == 21, "Error.");
static_assert (ctMap[23] ==  7, "Error.");

// constexpr auto compilationError = ctMap[404];

如果取消注释最后一行 (live demo)，将会出现编译错误。编译器会将您定向到 KeyNotFound () : 行，从 失败的原因应该很明显。

备注

• 成员变量pairs 是公开的，以便可以使用列表初始化来初始化地图。
• 给定的N 和初始化CTMap 的对数应该匹配。如果N 更小，则会出现编译错误。如果N 更大，零初始化对（{ 0, 0 }）将被静默添加到pairs。请注意这一点。
• （编译器生成的）构造函数不检查重复键。 operator[] 会找到第一个，但预期用途是不要使用重复键初始化 CTMap。
• 在 C++14 中不需要递归。我们可以在 constexpr 函数 (live demo) 中编写 for 循环。链接的实现提供了另一种想法，即在找不到密钥的情况下给出编译器错误：抛出异常。成员变量pairs 设为私有。

打算在编译时使用

这是一个线性映射，参数是按值传递的。我的意图是地图将用于编译时评估的代码，这不应该是一个问题。

另请注意，在运行时评估时，如果在地图中找不到键，则此类不会提供任何反馈。

让我们仔细看看ctMap[10] 在不同情况下的工作原理。我用三个编译器（MSVC v19.24、clang 10.0.0、gcc 9.3）尝试了以下方法。

• constexpr int C = ctMap[10]; – 全局常量 C 将使用 20 进行初始化，即使在调试版本中也是如此。在运行时不进行计算。请注意，为确保将创建全局，您必须在某处获取其地址。如果您使用 C 的值，则它的值 (20) 将被替换为使用它的位置，并且即使在调试版本中也不会在目标文件中创建 C。
• int Foo () { return ctMap[10]; } - 在调试版本中，operator[] 将被调用。在发布版本中，MSVC 将operator[] 内联到Foo，即消除了一次调用，但生成的代码具有线性复杂度（编译器不会强制在编译时进行计算，MSVC 中的代码优化很差）。 Clang 和 gcc 编译一个 return 20;。

这就是ctMap[404] 的工作方式（使用相同的三个编译器）：

• constexpr int C = ctMap[404]; – 如上所述，无法编译。
• int Foo () { return ctMap[404]; } – 与ctMap[10] 相同的注释适用，但Foo 将返回0。你不知道，404 不在地图中。要得到编译错误，Foo 必须是 constexpr 并强制在编译时被评估，例如将其分配给 constexpr 变量或枚举器，在模板参数中使用它，作为 C 数组的大小，在 static_assert 中使用，等等。