一、引言

在現(xiàn)代 C++ 編程中，我們經(jīng)常會編寫一些通用的代碼，這些代碼需要處理不同類型的可調(diào)用對象（如函數(shù)、函數(shù)指針、成員函數(shù)指針、lambda 表達(dá)式等）。在使用這些可調(diào)用對象之前，我們可能需要在編譯時就確定它們是否可以以特定的參數(shù)列表進(jìn)行調(diào)用。C++17 引入的 std::is_invocable 系列類型特征就為我們提供了這樣的能力，它允許我們在編譯時進(jìn)行調(diào)用可行性的檢查，從而增強(qiáng)代碼的健壯性和通用性。

二、std::is_invocable 概述

std::is_invocable 是定義在 <type_traits> 頭文件中的一個模板元函數(shù)。它用于在編譯時檢查一個可調(diào)用對象是否可以使用給定的參數(shù)類型進(jìn)行調(diào)用。std::is_invocable 有多個重載形式，基本形式如下：

template< class F, class... Args >
struct is_invocable;template< class F, class... Args >
inline constexpr bool is_invocable_v = is_invocable<F, Args...>::value;

代碼示例

#include <iostream>
#include <type_traits>// 普通函數(shù)
void foo(int x) {std::cout << "foo called with " << x << std::endl;
}int main() {std::cout << std::boolalpha;// 檢查 foo 是否可以用 int 類型參數(shù)調(diào)用std::cout << "Is foo invocable with int? " << std::is_invocable_v<decltype(foo), int> << std::endl;// 檢查 foo 是否可以用 double 類型參數(shù)調(diào)用（隱式轉(zhuǎn)換可行）std::cout << "Is foo invocable with double? " << std::is_invocable_v<decltype(foo), double> << std::endl;return 0;
}

輸出結(jié)果

Is foo invocable with int? true
Is foo invocable with double? true

在上述代碼中，我們定義了一個普通函數(shù) foo，它接受一個 int 類型的參數(shù)。然后使用 std::is_invocable_v 檢查 foo 是否可以用 int 和 double 類型的參數(shù)調(diào)用。由于 double 可以隱式轉(zhuǎn)換為 int，所以兩種檢查結(jié)果都為 true。

三、std::is_invocable 的工作原理

std::is_invocable 的實(shí)現(xiàn)基于 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）原則。當(dāng)我們使用 std::is_invocable<F, Args...> 時，編譯器會嘗試在編譯時構(gòu)造一個對可調(diào)用對象 F 的調(diào)用，參數(shù)類型為 Args...。如果這個調(diào)用是合法的，那么 std::is_invocable<F, Args...>::value 將為 true；否則，它將為 false。

簡化實(shí)現(xiàn)示例

#include <type_traits>// 輔助模板，用于檢測調(diào)用是否可行
template <typename F, typename... Args, typename = void>
struct is_invocable_helper : std::false_type {};template <typename F, typename... Args>
struct is_invocable_helper<F, Args..., std::void_t<decltype(std::declval<F>()(std::declval<Args>()...))>>: std::true_type {};// 定義 is_invocable
template <typename F, typename... Args>
struct is_invocable : is_invocable_helper<F, Args...> {};// 輔助模板，用于打印結(jié)果
template <typename F, typename... Args>
void print_is_invocable() {std::cout << "Is callable with given args? " << is_invocable<F, Args...>::value << std::endl;
}// 普通函數(shù)
void bar(int x) {}int main() {std::cout << std::boolalpha;print_is_invocable<decltype(bar), int>();return 0;
}

在這個示例中，我們定義了一個輔助模板 is_invocable_helper，它使用 std::void_t 和 decltype 來檢測對可調(diào)用對象 F 的調(diào)用是否合法。如果合法，is_invocable_helper 將繼承自 std::true_type；否則，它將繼承自 std::false_type。

四、std::is_invocable 的相關(guān)變體

1. std::is_invocable_r

std::is_invocable_r 用于檢查一個可調(diào)用對象是否可以使用給定的參數(shù)類型進(jìn)行調(diào)用，并且返回值可以隱式轉(zhuǎn)換為指定的類型。

#include <iostream>
#include <type_traits>int add(int a, int b) {return a + b;
}int main() {std::cout << std::boolalpha;// 檢查 add 是否可以用 int, int 調(diào)用并返回 intstd::cout << "Is add invocable with int, int and return int? " << std::is_invocable_r_v<int, decltype(add), int, int> << std::endl;// 檢查 add 是否可以用 int, int 調(diào)用并返回 doublestd::cout << "Is add invocable with int, int and return double? " << std::is_invocable_r_v<double, decltype(add), int, int> << std::endl;return 0;
}

2. std::is_nothrow_invocable 和 std::is_nothrow_invocable_r

std::is_nothrow_invocable 檢查一個可調(diào)用對象是否可以使用給定的參數(shù)類型進(jìn)行調(diào)用，并且調(diào)用過程不會拋出異常。std::is_nothrow_invocable_r 則在此基礎(chǔ)上還要求返回值可以隱式轉(zhuǎn)換為指定的類型。

#include <iostream>
#include <type_traits>// 不拋出異常的函數(shù)
void safe_foo(int x) noexcept {std::cout << "safe_foo called with " << x << std::endl;
}int main() {std::cout << std::boolalpha;// 檢查 safe_foo 是否可以用 int 調(diào)用且不拋出異常std::cout << "Is safe_foo nothrow invocable with int? " << std::is_nothrow_invocable_v<decltype(safe_foo), int> << std::endl;return 0;
}

五、使用場景

1. 模板元編程

在模板元編程中，我們經(jīng)常需要根據(jù)可調(diào)用對象的調(diào)用可行性來選擇不同的實(shí)現(xiàn)路徑。

#include <iostream>
#include <type_traits>template <typename F, typename... Args, std::enable_if_t<std::is_invocable_v<F, Args...>, int> = 0>
auto call_if_invocable(F&& f, Args&&... args) {return std::forward<F>(f)(std::forward<Args>(args)...);
}template <typename F, typename... Args, std::enable_if_t<!std::is_invocable_v<F, Args...>, int> = 0>
void call_if_invocable(F&&, Args&&...) {std::cout << "Not invocable." << std::endl;
}void baz(int x) {std::cout << "baz called with " << x << std::endl;
}int main() {call_if_invocable(baz, 42);call_if_invocable([](double) {}, 10); // 這里不匹配調(diào)用，輸出 Not invocable.return 0;
}

2. 泛型算法

在編寫泛型算法時，我們可以使用 std::is_invocable 來確保傳入的可調(diào)用對象符合算法的要求。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <type_traits>template <typename Container, typename Func, std::enable_if_t<std::is_invocable_v<Func, typename Container::value_type>, int> = 0>
void apply(Container& c, Func f) {for (auto& elem : c) {f(elem);}
}int main() {std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};auto print = [](int x) { std::cout << x << " "; };apply(numbers, print);std::cout << std::endl;return 0;
}

六、注意事項(xiàng)

• 隱式轉(zhuǎn)換：std::is_invocable 會考慮參數(shù)的隱式轉(zhuǎn)換。例如，如果一個函數(shù)接受 int 類型的參數(shù)，那么傳入 short 或 char 類型的參數(shù)也會被認(rèn)為是可調(diào)用的，因?yàn)榇嬖陔[式轉(zhuǎn)換。
• 成員函數(shù)指針：在使用成員函數(shù)指針時，需要注意傳遞合適的對象實(shí)例作為第一個參數(shù)。例如，對于一個成員函數(shù) void MyClass::func()，調(diào)用時需要傳遞 MyClass 的實(shí)例或指針。

#include <iostream>
#include <type_traits>class MyClass {
public:void member_func() {std::cout << "Member function called." << std::endl;}
};int main() {std::cout << std::boolalpha;// 檢查成員函數(shù)指針是否可調(diào)用std::cout << "Is member_func invocable? " << std::is_invocable_v<decltype(&MyClass::member_func), MyClass&> << std::endl;return 0;
}

七、結(jié)論

std::is_invocable 系列類型特征為 C++ 程序員提供了強(qiáng)大的編譯時檢查能力，使得我們可以在編寫通用代碼時更加安全和高效。通過合理使用 std::is_invocable 及其變體，我們可以避免在運(yùn)行時出現(xiàn)調(diào)用錯誤，提高代碼的健壯性和可維護(hù)性。同時，在模板元編程和泛型算法中，std::is_invocable 也發(fā)揮著重要的作用。