SFINAE

SFINAE (англ. substitution failure is not an error, «неудавшаяся подстановка — не ошибка») — правило языка C++, связанное с шаблонами и перегрузкой функций. Широко применяется «не по назначению» — для рефлексии при компиляции: в зависимости от свойств типа компиляция идёт по тому или другому пути.

Правило SFINAE гласит: Если не получается рассчитать окончательные типы/значения шаблонных параметров функции, компилятор не выбрасывает ошибку, а ищет другую подходящую перегрузку. Ошибка будет в трёх случаях:

• Не нашлось ни одной подходящей перегрузки.
• Нашлось несколько таких перегрузок, и компилятор не может решить, какую взять.
• Перегрузка нашлась, она оказалась шаблонной, и при инстанцировании шаблона случилась ошибка.

История

Правило существовало ещё в C++98, и было придумано, чтобы программа не выдавала ошибок, если где-то в заголовочных файлах оказался одноимённый шаблон, далёкий от контекста. Но впоследствии оно оказалось удобно для рефлексии при компиляции. Саму аббревиатуру SFINAE придумал Дэвид Вандервурд, автор книги «Шаблоны C++» (2002).

В Boost добавили несложный шаблон enable_if, действующий на правиле SFINAE и позволяющий инстанцировать шаблон при определённых условиях.

В стандарте C++11 правило SFINAE было несколько уточнено, концептуально не меняясь. Туда же вошёл и шаблон enable_if (вообще у Boost позаимствованы chrono, random, filesystem и многое другое).

В C++17 добавили конструкцию if constexpr(), несколько снизившую надобность в SFINAE.

В C++20 появилась конструкция explicit (true). С одной стороны, константа в скобках — тоже часть подстановки, и если её не получится рассчитать, это будет неудавшаяся подстановка. С другой — она также снижает надобность в SFINAE.

Изначальное назначение

Предположим, надо вызвать функцию

f(1, 2);

Есть такие версии этой функции:

(1) void f(int, std::vector<int>);
(2) void f(int, int);
(3) void f(double, double);
(4) void f(int, int, char, std::string, std::vector<int>);
(5) void f(std::string);
(6) void f(...);

Компилятор собирает эти функции в список и находит лучшую по определённым правилам — производит разрешение перегрузки (англ. overload resolution).

1. Сначала компилятор отбрасывает функции, которые не подходят по количеству параметров — (4) и (5).
2. Затем отбрасываются шаблонные подстановки, где не удалось рассчитать типы входных параметров и возврата — таковых нет.
3. Потом отбрасывается функция (1) — для неё нет подходящего преобразования типов.
4. И уж из (2), (3) и (6) по довольно сложным правилам компилятор выбирает (2) — оба типа точно совпадают. Если бы такого абсолютного победителя не было, компилятор выдал бы ошибку, указав, между какими вариантами он колеблется.

Шаг 2, связанный с шаблонными функциями, пока не задействован. Добавим к нашему списку ещё две функции.

(7) template<typename T>
    void f(T, T);
(8) template<typename T>
    void f(T, typename T::iterator);

Функция 7 будет отброшена на четвёртом шаге, потому что нешаблонная функция всегда «сильнее» шаблонной.

Шаблон 8 далёк от нашей задачи, так как рассчитан на некий класс, имеющий внутри тип iterator. Второй шаг и есть SFINAE: компилятор говорит, что T = int, пробует подставить int в шаблон, и отбрасываются те шаблоны, где подстановка не привела к успеху. Поэтому неудавшаяся подстановка — не ошибка.

Пример рефлексии при компиляции через SFINAE

Этот пример компилируется даже на C++03.

#include <iostream>
#include <vector>
#include <set>


template<typename T>
class DetectFind
{
    struct Fallback { int find; }; // add member name "find"
    struct Derived : T, Fallback { };

    template<typename U, U> struct Check;

    typedef char Yes[1];  // typedef for an array of size one.
    typedef char No[2];  // typedef for an array of size two.

    template<typename U>
    static No& func(Check<int Fallback::*, &U::find> *);

    template<typename U>
    static Yes& func(...);

  public:
    typedef DetectFind type;
    enum { value = sizeof(func<Derived>(0)) == sizeof(Yes) };
};

int main()
{
    std::cout << DetectFind<std::vector<int> >::value << ' '
              << DetectFind<std::set<int> >::value << std::endl;
    return 0;
}

Принцип действия: в строке sizeof(func<Derived>(0)) происходит разрешение перегрузки, и конкретный тип Check<int Fallback::*, &U::find> * сильнее, чем переменные аргументы .... Из-за того, что func под sizeof, нет нужды инстанцировать шаблонные функции, достаточно подставить типы — потому у функций только заголовки без тел. Вторая функция, возвращающая тип Yes, подставится всегда, а что же с первой?

Она подставится, если шаблонный тип Check будет существовать (поскольку Check под указателем, точный тип не важен, главное — существование). Первый параметр шаблона — тип, второй — константа этого типа. В качестве типа берётся указатель на int-поле объекта Fallback (по факту — смещение от начала объекта до поля), в качестве константы — указатель на поле find. Константа будет определена и иметь нужный тип, если единственное поле Derived::find взято у объекта Fallback — то есть отсутствует другой find, позаимствованный у T.

Ссылки

• SFINAE (англ.). cppreference.com. Дата обращения: 9 января 2020. Архивировано 6 мая 2021 года.

На русском

• OldFisher. SFINAE — это просто  (рус.). habr.com (13 декабря 2013). Дата обращения: 9 января 2020. Архивировано 1 марта 2021 года.
• ixSci. SFINAE. Как много в этом слове  (рус.) (12 декабря 2016). Дата обращения: 9 января 2020. Архивировано 31 декабря 2019 года.
• Адам Балаш. Как сделать SFINAE изящным и надежным  (рус.). habr.com (10 сентября 2019). Дата обращения: 9 января 2020. Архивировано 19 сентября 2020 года.

  Оригинал: Ádám Balázs. How to Make SFINAE Pretty and Robust (англ.). Fluent C++ (23 августа 2019). Дата обращения: 9 января 2020. Архивировано 3 декабря 2019 года.