检测编译时文字和常量

Question

假设我想编写一个通用类来维护一个始终保持在两个值之间的整数。像这样的：

template<int Lower, int Upper>
class MyInt {
    private:
        int m_int;
    public:
        // Constructors, operators...
};

类不变量是Lower <= m_int <= Upper。 当然 MyInt 应该具有整数倾向于具有的所有常用操作，例如赋值和算术运算符。如果一个操作要让它处于破坏其不变量的状态，MyInt 会抛出。然而，在许多情况下，这应该是编译时可检测到的。考虑这个示例代码：

int foo = 500;
constexpr int const bar = 500;
MyInt<0,100> a = 15; // OK
MyInt<0,100> b = foo; // Throws at runtime
MyInt<0,100> c = 500; // Compile error?
MyInt<0,100> d = bar; // Compile error?
MyInt<0,100> f = std::integral_constant<int, 500>; // Compile error

对于std::integral_constant，编写适当的构造函数很简单。但是是否有可能编译时检测到a 在范围内而c 和d 不在范围内？分配的值要么是编译时已知的文字，要么是 constexpr 常量。

我已经尝试过 SFINAE-ing 等等，但我找不到从值语义到模板参数的方法，即使对于这些（我声称）值显然是编译时常量的情况。

对于 C++17，该语言不提供实现此功能所需的工具是否属实？如果是，这是否会随着即将到来的 C++20 而改变？如果我正在寻找的东西是不可能的，这是什么原因？我的兴趣完全是教育性的，所以如果我遗漏了一些东西（比如文字实际上不是编译时常量或其他东西），我会很感兴趣。

注意：我知道 f 的大小写可以通过引入自定义文字后缀并要求用户键入以下内容来变得不那么难看：

MyInt<0,100> g = 15_constint; // OK
MyInt<0,100> h = 500_constint; // Compile error

我也知道提供这样的界面的可能性：

MyInt<0,100> i;
i.assign<500>(); // Compile error

但是，这两种变通方法都有一定的输入开销，并且不一定是惯用的 C++。

Answer 1

如果我正在寻找的东西是不可能的，这是什么原因？

基本上归结为这样一个事实，即 C++ 函数模型不允许函数识别 constexpr 参数和运行时参数之间的区别。如果一个函数采用int，那么它采用int。该函数的行为不会因int 是由常量表达式（如文字）还是运行时值提供而有所不同。

这对于constexpr 函数来说也是如此。您不能拥有一个可以对其参数进行编译时检查的constexpr 函数。评估可以在编译时完成，但执行 foo(500); 最终的行为必须与执行 auto b = 500; foo(b); 相同。

这就是为什么解决方法都涉及使用技巧将常量表达式放入模板参数中，这样可以识别。当然，模板参数从不是运行时值，因此会产生其他问题（例如必须具有多个函数）。作为一个模板参数通常是一件痛苦的事情。

基本上，您想要的要求函数可以声明参数为constexpr（以及允许您拥有非constexpr 版本的重载规则）。没有这样的提案被投票通过 C++20。已经做过的最好的是P1045，它甚至还没有被委员会讨论过，并且有一堆漏洞需要填补。所以我不会屏住呼吸。

Answer 2

试试这个。这是一个非常简单可扩展的示例：

template<int Max, int Min>
class MyInt
{
public:
    constexpr MyInt(int i)
        : m_int(i > Max
            ? throw std::exception("out of bounds int")
            : ( i < Min
                ? throw std::exception("out of bounds int")
                : i))
    {}

private:
    int m_int;
};


int main()
{
    MyInt<1, 2> i(4);
}

它显示编译时错误:)。我使用这个 SO 问题作为指导： constexpr constructor with compile time validation