尽可能在编译时强制执行函数契约

Question

（这个问题的灵感来自How can I generate a compilation error to prevent certain VALUE (not type) to go into the function?）

假设我们有一个单参数foo，语义上定义为

int foo(int arg) {
    int* parg;
    if (arg != 5) {
        parg = &arg;
    }

    return *parg;
}

上面的整个代码用于说明一个简单的想法 - 函数返回它自己的参数，除非参数等于 5，在这种情况下行为是未定义的。

现在，挑战 - 以这样的方式修改函数，如果它的参数在编译时已知，则应该生成编译器诊断（警告或错误），如果不是，则行为在运行时保持未定义。解决方案可以依赖于编译器，只要它在四大编译器之一中可用。

以下是一些无法解决问题的潜在路线：

• 使函数成为模板，将其参数作为模板参数 - 这并不能解决问题，因为它使函数不符合运行时参数的条件
• 使函数成为constexpr - 这并不能解决问题，因为即使编译器看到未定义的行为，它们也不会在我的测试中产生诊断 - 相反，gcc 会插入 ud2 指令，这不是我想要的.

Answer 1

constexpr 用于 常量表达式 时出现错误：

constexpr int foo(int arg) {
    int* parg = nullptr;
    if (arg != 5) {
        parg = &arg;
    }
    return *parg;
}

Demo

我们无法知道参数值在编译类型时是已知的，但我们可以使用类型表示值，std::integral_constant

// alias to shorten name. 
template <int N>
using int_c = std::integral_constant<int, N>;

可能有UDL 和operator "" _c 有5_c,42_c。

然后，添加重载：

template <int N>
constexpr auto foo(int_c<N>) {
    return int_c<foo(N)>{};
}

所以：

foo(int_c<42>{}); // OK
foo(int_c<5>{}); // Fail to compile

// and with previous constexpr:
foo(5); // Runtime error, No compile time diagnostic
constexpr auto r = foo(5); // Fail to compile

正如我所说，参数在函数内部不知道是常量，is_constexpr seems not possible in standard 允许调度，但是一些编译器为此提供了内置的 (__builtin_constant_p)，所以使用 MACRO，我们可以进行调度：

#define FOO(X) [&](){ \
    if constexpr (__builtin_constant_p(X)) {\
        return foo(int_c<__builtin_constant_p (X) ? X : 0>{});\
    } else {\
        return foo(X); \
    } \
}()

Demo

注意：不能直接使用foo(int_c<X>{})，即使在 if constexpr 中，因为还有一些语法检查。

Answer 2

gcc/clang/intel 编译器支持__builtin_constant_p，所以你可以使用类似的东西：

template <int D>
int foo_ub(int arg) {
    static_assert(D != 5, "error");
    int* parg = nullptr;
    if (arg != 5) {
        parg = &arg;
    }

    return *parg;
}

#define foo(e) foo_ub< __builtin_constant_p(e) ? e : 0 >(e)

这些语句产生编译时错误：

• foo(5)
• foo(2+3)
• constexpr int i = 5; foo(i);

而所有其他 - 运行时段错误（如果没有使用 nullptr，则为 ub）

Answer 3

它并不完美它要求我们在两个不同的地方使用参数，但它'有效'：

template<int N = 0>
int foo(int arg = 0) {
    static_assert(N != 5, "N cannot be 5!");
    int* parg;
    if (arg != 5) {
        parg = &arg;
    }

    return *parg;
}

我们可以这样称呼它：

foo<5>();   // does not compile
foo(5);     // UB
foo<5>(5);  // does not compile
foo<5>(10); // does not compile
foo<10>(5); // UB
foo();      // fine
foo<10>();  // fine
foo(10);    // fine