扩展模板库的新方法 - 善用函数的ADL查找

问题

随着C++语言的发展，越来越多的C++类库都使用模板库提供给大家使用。模板库通常使用基于对象的设计，相比传统的面向对象的设计而言，前者的每个模块可以单独使用，而不依赖框架。整个模板库的框架，只是一个胶水层，让各个组件之间按照某种协议，组合到一起，形散而神不散，发挥出强大的功能。而且模板库非常好扩展。模板库的扩展通常有以下三种模式：

函数重载；

Policy Based Design， 按照框架规定好的协议导出指定的type，计算好特定的静态常量和实现特定的函数；

特化traits或者一些特定模板组件的特化；

由于前两种方式比较简单，还要就是没有找到比较好的素材，鄙文暂时主要讨论第三种扩展方式。在实现iguana的过程中，我们发现模板特化和宏的结合，在碰到命名空间的时候，我们一筹莫展。案例如下，

namespace client
{
struct person
{
int         age;
std::string name;
};

REFLECTION(persion, age, name);
}

REFELCTION宏实质上生成了一个在全局命名空间下的类模板的特化的代码。但是由于宏是预处理阶段，生成的代码在client命名空间下。C++的语言规范不允许在一个命名空间中特化另一个命名空间的类模板，也不允许在一个命名空间下特化全局命名空间的类模板(全局的情况MSVC能编过，我是服气的)。这里是一个参考链接。

那么我们库中遇到的问题，用下列简化的代码给出，有兴趣的读者可以到各个编译环境下测试。

namespace lib
{
template <typename> struct to_extend;
}

template <typename> struct to_extend_global;

// OK
template <> struct lib::to_extend<struct foo>
{
using type = foo;
};

// OK
template <> struct to_extend_global<struct foo>
{
using type = foo;
};

namespace client
{
// Illegal
template <> struct ::lib::to_extend<struct fee>
{
using type = fee;
};

// Illegal
template <> struct ::to_extend_global<struct fee>
{
using type = fee;
};
}

其实这个限制并不是无解，只要你保证REFLEACTION宏在全局命名空间下，就不会出错。例如BOOST_FUSION_ADAPT_STRUCT宏，也是用相同的方法规避的。但是你会发现这样对使用来说非常不便，你偶尔不得不把一个完整的命名空间的代码block拆成两个。我们得找另外一种方法来扩展我们的模板库，而不受限于命名空间。

解决方案

什么样的扩展方法，可以跨越命名空间的限制？仔细阅读过template C++的读者应该不难发现，就是函数的ADL查找。我们用如下代码来说明，如何利用函数的ADL查找

// 这里是你的库类中需要扩展的组件
namespace lib
{
void to_extend(...) {}
}

// 客户处的扩展代码
namespace client
{
struct foo {};

// 下面的代码通常会被宏来生成
auto to_extend(foo const&)
{
struct foo_extend
{
static constexpr char const* name() { return "foo"; }
};

return foo_extend{};
}
}

// 在库中，可能是这样集成组件的
namespace lib
{
constexpr char const* apply_impl(std::true_type, ...)
{
return "null";
}

template <typename T>
constexpr char const* apply_impl(std::false_type, T)
{
return T::name();
}

template <typename T>
constexpr char const* apply(T const& t)
{
using type = decltype(to_extend(t));        // 探测有没有对应的to_extend函数，ADL查找保证
using is_void = std::is_same<type, void>;
return apply_impl(is_void{}, type{});
}
}

// 在client中可能是这样使用的
namespace client
{
void some_function()
{
foo f;
std::cout << lib::apply(f) << std::endl;
}
}

简单解释一下，下面的代码是如何工作的。首先，函数的ADL查找，是apply函数尝试调用to_extend的时候，不仅会查找lib命名空间下的符号，也会去查找T类型所在命名空间的符号。我们定义的to_extend函数在client命名空间下，foo类型也在client命名空间下。那么ADL查找肯定可以找到to_extend函数的符号。然后，我们没有选择类模板的特化，而是选择了使用to_extend函数，返回一个它内部定义的类型作为policy的功能。这个思想有点类似Andrei Alexandrescu大神的MDC中第11章节的Multimethod的蹦床函数，trampoline funciton. 有了这些，我们就可以在任意命名空间下来扩展我们的模板库，当然配合宏使用也没有问题了。在iguana中具体实现的小细节，可以参考reflection.hpp里面的实现。