强接口的强类型

强类型是 C++ 社区中的热门话题。在这篇文章中，我想特别关注如何使用它们来使界面更清晰、更健壮。

动机

首先，什么是强类型？强类型是一种用于代替另一种类型的类型，通过其名称传递特定含义。与强类型相反的是通用类型，例如 int 和 double 等原生类型。通常，原生类型不会过多地说明其实例的含义。

为了说明这一点，让我们以类 Rectangle 为例。假设一个 Rectangle 可以用宽度和高度初始化。要将其写成接口，首先想到的是使用 double：

class Rectangle
{
public:
    Rectangle(double width, double height);
    ....
};

double 是一个通用类型，根据上面的定义，它并不是强类型。但是这块带来来看，好像没什么问题。

使用通用类型真正的问题出现在调用端，当我们调用上述接口：

Rectangle r(10, 12);

对于调用构造函数的读者来讲，10 和 12 并没有指示哪一个是宽度或是高度。这迫使读者去检查 Rectangle 的接口。它可能位于另一个文件中。因此，这种通用类型并不具备可读性：代码非常清楚 10 是宽度，12 是高度，但它不会告诉你。

此外，使用 double 的 Rectangle 接口还有另一个问题：调用端可能以错误的顺序传递参数。例如：

Rectangle r(12, 10); // 糟糕，本意是将宽度设置为 10，但混淆了参数

创建强类型

要解决代码的迷惑性，一个解决方案是在调用端解决代码的混淆性。

这就是强类型要做的。在第一篇中，我们碰到了需要在接口的某些部分写出名字的问题。在构造函数的特殊情况下，我们围绕原生类型构造了一个薄包装，其唯一目的是指定一个特定的名称。为了表达一个特定的 double 代表半径，我们编写了以下包装器：

class Radius
{
public:
    explicit Radius(double value) : value_(value) {}
    double get() const { return value_; }
private:
    double value_;
};

现在很明显，这个包装中没有任何可以通用的东西。因此，编译一个组件来包装特定类型 T 是很自然的事情。让我们称这个组件为 NamedType：

template <typename T>
class NamedType
{
public:
    explicit NamedType(T const& value) : value_(value) {}
    explicit NamedType(T&& value) : value_(std::move(value)) {}
    T& get() { return value_; }
    T const& get() const {return value_; }
private:
    T value_;
};

TIPS: 最终实现请参阅帖子底部

double 现在已经被类型 T 取代了。但是实参和返回值并不是，因为他们是按值传递的。更通用的情景下，实参应当使用由 const 限定的引用传递。

有几个方式可以为特定类型实例化 named type，但是我发现下面的完全没有歧义：

using Width = NamedType<double>;

一些实现使用了继承。但是我发现上面的代码更具有表达型，因为它表示我们只是需要在类型上添加一个标签。

使用幻影类型

如果仔细思考以下，上面的实现根本就不是通用的。实际上，如果使用特定的类型来表达高度，您会怎么做呢？如果您执行了以下操作：

using Height = NamedType<double>;

我们又回到了原点：Width 和 height 只是 NamedType<double> 的两个别名，因而他们可以互换，这与我们的意图相驳。

为了处理这个问题，我们可以添加一个参数，它用于区分每一个 named type，。比如一个参数用于 Widget，另一个用于 Height 等等。

换句话说。我们想要参数化类型 NamedType。在 C++ 中，参数化类型可以通过传递模板参数实现：

template <typename T, typename Parameter>
class NamedType
{
    ....

}

实际上，Parameter 并没有在 NamedType 的实现中使用。这就是为什么叫它 幻影类型 。

在这里，我们希望 NamedType 的每个实例化都有一个模板参数，该参数在整个程序中都是唯一的。这可以通过每次定义一个专用类型来实现。由于创建此专用类型的唯一目的是作为模板参数传递，因此它不需要任何行为或数据。我们称它为 WidthParameter，用于 Width 的实例化：

struct WidthParameter {};
using Width = NamedType<double, WidthParameter>;

实际上，WidthParameter 能够在 using 语句的同行声明，这使实例化强类型 只在一行代码 提供了可能性：

using Width = NamedType<double, struct WidthParameter>;

对于 Height 而言：

using Height = NamedType<double, struct HeightParameter>;

现在 Width 和 Height 都有了明确的名称，而且实际上是两种不同的类型。

使用这些重写 Rectangle 接口：

class Rectangle
{
public:
    Rectangle(Width, Height);
    ....
};

Note: 参数名已经不需要了，因为类型已经提供了所有信息。

在调用端，可以用下面的方式：

Rectangle r(Width(10), Height(12));

强类型和自定义字面量

上述的代码可以和自定义字面量一起工作。现假设用 meter 来表示以米为单位的距离。meter 只是一个用来表示距离的数字，但是使用 NamedType 来表示：

using Meter = NamedType<double, struct MeterParameter>;

NamedType 可以被结合，因而可以用来表示宽和高：

using Width = NamedType<Meter, struct WidthParameter>;
using Height = NamedType<Meter, struct HeightParameter>;

如果我们为 meter 添加一个自定义字面量：

Meter operator"" _meter(unsigned long long length)
{
    return Meter(length);
}

TIPS: 为了适应所有情况，同时应当为 long double 添加重载。

然后我们可以用这种方式调用：

Rectangle r(Width(10_meter), Height(12_meter));

结论和展望

强类型强迫接口更富表达力，尤其是在调用端。而且通过强制正确的参数顺序来减少出错以增强接口。它们可以用下面的包装器实现：

template <typename T, typename Parameter>
class NamedType
{
public:
    explicit NamedType(T const& value) : value_(value) {}
    explicit NamedType(T&& value) : value_(std::move(value)) {}
    T& get() { return value_; }
    T const& get() const {return value_; }
private:
    T value_;
};

然后他们可以以这种方式使用：

using Width = NamedType<double, struct WidthParameter>;

要深入了解这个有用且流行的主题。你可以探索这些方面：

在 Simplify C++ 上使用强类型执行业务。
在 foonathan::blog() 上以模块化的方式为强类型提供更多功能。

在我这边，我将通过引用来介绍强类型的传递。实际上，上述所有实现在每次传递给接口时都发生了拷贝，但在某些情况下，这并不是您想要的。我还没有在任何地方看到过强类型的这一方面。所有这将是我们强类型系列下一篇文章的重点。