C++打印类型名称的分析与实现
打印类型名称，听起来像是一个很简单的需求，但在目前的c++当中，并非易事。
本文介绍了一些对此需求的分析与实现。 1 概述 类型属于type，对象属于value，前者是编译期的东西，后者则是运行期的东西。你可以打印一个变量的值，却无法打印一个类型的名称。那么如何才能实现这个需求？通常来说，解决问题的思路是将新问题转换为已经存在解决方案的旧问题。其一，编译期目前只能输出错误信息，这个错误信息也可以是一种打印类型名称的方法。我们需要做的，就是主动触发报错，可以利用重载决议的相关知识达到这个目的。其二，既然无法直接打印类型，那么就将类型转换为value，从而在运行期进行打印。但是，通过表格暴力转换法其实并不可行，因为类型组合起来实在太多了。此时可以借助一些语言或编译器特性来获取到类型信息，比如通过typid就可以根据类型得到一个简单的名称。思路确定了，接着就可以顺着这个思路设计实现，以下各节展示各种实作法。 2 编译期打印类型名称 这种思路是利用错误信息输出类型信息，如何触发错误，如果大家已经读过【洞悉c++函数重载决议】，相信已经有了深刻认识。 具体实现如下：
template struct type_name {}; template struct name_of { using x = typename type_name::name; }; int main() { name_of(); }由于name lookup查找的名称name_of带有模板，因此会进入重载决议的第二阶段：template handling。 模板参数已经显式指出，因此其实并不会进行tad，而是直接模板参数替换。但是编译器发现type_name::name并没有name类型，因此模板替换失败，产生hard error，编译失败。这个hard error错误信息，就带有类型名称，输出如下： error: no type named 'name' in 'struct type_name' 7 | using x = typename type_name::name;现在，就可以使用该实现在编译期查看实际类型的名称，比如： template void f(t t) { name_of(); } int main() { const int i = 1; f(i); }输出为： error: no type named 'name' in 'struct type_name' 7 | using x = typename type_name::name; 可以看到，tad在推导参数时丢弃了top-level const修饰，t实际类型为int。这种形式的优点是完全发生于编译期，实现简单；缺点也很明显，无法指定输出形式，看起来不够直观。 3 demanged name 另一种方式是借助typeid关键字，通过它可以获得一个std::type_info对象，其结构如下。 namespace std { class type_info { public: virtual ~type_info(); bool operator==(const type_info& rhs) const noexcept; bool before(const type_info& rhs) const noexcept; size_t hash_code() const noexcept; const char* name() const noexcept; type_info(const type_info&) = delete; // cannot be copied type_info& operator=(const type_info&) = delete; // cannot be copied }; }其中的成员函数name()就可以返回类型的名称，这样就根据type获取到了value。但是标准说这个名称是基于实现的。 returns an implementation defined null-terminated character string containing the name of the type. no guarantees are given; in particular, the returned string can be identical for several types and change between invocations of the same program. 事实上也的确如此，msvc返回的是一段可读的类型名称，而gcc, clang返回的是mangled name。（name mangling内容可以参考【洞悉c++函数重载决议】） 但幸好，它们内部提供的有demangle api，通过相关api就可以将类型名称转换为可读的名称。这个api定义如下：
namespace abi { extern c char* __cxa_demangle (const char* mangled_name, char* buf, size_t* n, int* status); }
这里主要关注第一个参数就可以，其他参数都可以置空。第一个参数就是type_info::name()返回的mangled name，返回值为demangled name。
因此，现在就可以分而论之，msvc直接使用type_info::name()返回的类型名称就可以；对于gcc/clang，则先使用demangle api进行解析，次再使用。具体实现如下： #include #include #include #include #ifndef _msc_ver #include #endif // _msc_ver template std::string type_name() { using type = typename std::remove_reference::type; // 1. 通过typeid获得类型名称 const char* name = typeid(type).name(); std::string result; // 2. 通过gcc/clang扩展api获得demangled name #ifndef _msc_ver char* demangled_name = abi::__cxa_demangle(name, nullptr, nullptr, nullptr); result += demangled_name; free(demangled_name); #else result += name; #endif // _msc_ver // 3. 添加丢弃的修饰 if (std::is_const::value) result += const; if (std::is_volatile::value) result += volatile; if (std::is_lvalue_reference::value) result += &; if (std::is_rvalue_reference::value) result += &&; return result; } struct base {}; struct derived : base {}; int main() { std::cout << type_name() << ; std::cout << type_name() << ; std::cout << type_name() << ; }实现分为三个步骤，注释已经写得很清晰了，这里补充几个重点。第一，demangled api的返回值是采用malloc()分配的内存，需要手动进行释放。第二，type_info::name()会丢弃cv及引用修饰符，所以还需要手动添加这些修饰。最终输出如下图所示。 这种实现方式来自https://stackoverflow.com/a/20170989。优点在于，可以统一格式，输出清晰。缺点在于，实现稍微麻烦，要考虑更多情况，且发生于运行期。 4 编译器扩展特性 编译器还存在另一种扩展，包含有类型信息。大家也许用过__func__，这是每个函数内部都会预定义的一个标识符，表示当前函数的名称。于c99添加到c标准，c++11添加到了c++标准，定义如下。 static const char __func__[] = function-name;c++引入的这个说是implementation-defined string，意思也是基于实现的，不过在三个平台上的输出基本是一致的。这个标识符只包含函数名称，并不会附带模板参数信息。但是与其相关的扩展附带有这部分信息，gcc/clang的扩展为__pretty_function__，msvc的扩展为__funcsig__。 它们的内容形式也是基于实现的，一个简单的例子如下。 template consteval auto type_name() { #ifdef _msc_ver return __funcsig__; #elif defined(__gnuc__) return __pretty_function__; #elif defined(__clang__) return __pretty_function__; #endif } int main() { std::cout << type_name(); }输出分别为： // gcc consteval auto type_name() [with t = int] // clang auto type_name() [t = int] // msvc auto __cdecl type_name(void)gcc的这种格式不错，clang丢弃了consteval，msvc同样如此，但它加上了函数调用约定。 现在需要做的，就是根据这些信息，解析出想要的信息。可以借助c++17 std::string_view在编译期完成这个工作。具体实现如下。 template consteval auto type_name() { std::string_view name, prefix, suffix; #ifdef __clang__ name = __pretty_function__; prefix = auto type_name() [t = ; suffix = ]; #elif defined(__gnuc__) name = __pretty_function__; prefix = consteval auto type_name() [with t = ; suffix = ]; #elif defined(_msc_ver) name = __funcsig__; prefix = auto __cdecl type_name(void); #endif name.remove_prefix(prefix.size()); name.remove_suffix(suffix.size()); return name; }通过使用std::string_view，以上代码全都发生于编译期。该代码来自https://stackoverflow.com/a/56766138。这个实现方式要比demanged name好，不会丢失修饰，类型信息完善，且发生于编译期。缺点也有，编译器扩展一般都是基于实现的，没有标准保证，内容形式可能会改变，依赖于此的实现并不具备较强的稳定性。 5 circle 对比以上实现，可以发现，反而是第一种办法，即主动触发name lookup报错这种方式最简单，且最稳定、最通用。其他方法都依赖了编译器扩展特性，虽然可以达到目的，但技巧偏多，没有保证。大家要是读过之前更新的四章「c++反射」文章，就知道类型名称其实是一个最基本的类型元信息，只要编译器支持反射，那么实现这个需求是再简单不过了。在此，我们就来看看circle提供的强大元编程能力，是如何优雅地实现这个功能的。注：circle基本内容，请看c++反射第三章。circle对于该需求的实现如下： template void print_types() { printf(%d - %s , int..., ts.string)...; } print_types(); // output: // 0 - int // 1 - double // 2 - const char* // 3 - int&&是不是太简单了！而且还要强大许多，比如还可以去重、排序： template void f() { printf(unique: ); print_types(); printf(sort by type name: ); print_types
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本文介绍了一些对此需求的分析与实现。 1 概述 类型属于type，对象属于value，前者是编译期的东西，后者则是运行期的东西。你可以打印一个变量的值，却无法打印一个类型的名称。那么如何才能实现这个需求？通常来说，解决问题的思路是将新问题转换为已经存在解决方案的旧问题。其一，编译期目前只能输出错误信息，这个错误信息也可以是一种打印类型名称的方法。我们需要做的，就是主动触发报错，可以利用重载决议的相关知识达到这个目的。其二，既然无法直接打印类型，那么就将类型转换为value，从而在运行期进行打印。但是，通过表格暴力转换法其实并不可行，因为类型组合起来实在太多了。此时可以借助一些语言或编译器特性来获取到类型信息，比如通过typid就可以根据类型得到一个简单的名称。思路确定了，接着就可以顺着这个思路设计实现，以下各节展示各种实作法。 2 编译期打印类型名称 这种思路是利用错误信息输出类型信息，如何触发错误，如果大家已经读过【洞悉c++函数重载决议】，相信已经有了深刻认识。 具体实现如下：
template struct type_name {}; template struct name_of { using x = typename type_name::name; }; int main() { name_of(); }由于name lookup查找的名称name_of带有模板，因此会进入重载决议的第二阶段：template handling。 模板参数已经显式指出，因此其实并不会进行tad，而是直接模板参数替换。但是编译器发现type_name::name并没有name类型，因此模板替换失败，产生hard error，编译失败。这个hard error错误信息，就带有类型名称，输出如下： error: no type named 'name' in 'struct type_name' 7 | using x = typename type_name::name;现在，就可以使用该实现在编译期查看实际类型的名称，比如： template void f(t t) { name_of(); } int main() { const int i = 1; f(i); }输出为： error: no type named 'name' in 'struct type_name' 7 | using x = typename type_name::name; 可以看到，tad在推导参数时丢弃了top-level const修饰，t实际类型为int。这种形式的优点是完全发生于编译期，实现简单；缺点也很明显，无法指定输出形式，看起来不够直观。 3 demanged name 另一种方式是借助typeid关键字，通过它可以获得一个std::type_info对象，其结构如下。 namespace std { class type_info { public: virtual ~type_info(); bool operator==(const type_info& rhs) const noexcept; bool before(const type_info& rhs) const noexcept; size_t hash_code() const noexcept; const char* name() const noexcept; type_info(const type_info&) = delete; // cannot be copied type_info& operator=(const type_info&) = delete; // cannot be copied }; }其中的成员函数name()就可以返回类型的名称，这样就根据type获取到了value。但是标准说这个名称是基于实现的。 returns an implementation defined null-terminated character string containing the name of the type. no guarantees are given; in particular, the returned string can be identical for several types and change between invocations of the same program. 事实上也的确如此，msvc返回的是一段可读的类型名称，而gcc, clang返回的是mangled name。（name mangling内容可以参考【洞悉c++函数重载决议】） 但幸好，它们内部提供的有demangle api，通过相关api就可以将类型名称转换为可读的名称。这个api定义如下：
namespace abi { extern c char* __cxa_demangle (const char* mangled_name, char* buf, size_t* n, int* status); }
这里主要关注第一个参数就可以，其他参数都可以置空。第一个参数就是type_info::name()返回的mangled name，返回值为demangled name。
因此，现在就可以分而论之，msvc直接使用type_info::name()返回的类型名称就可以；对于gcc/clang，则先使用demangle api进行解析，次再使用。具体实现如下： #include #include #include #include #ifndef _msc_ver #include #endif // _msc_ver template std::string type_name() { using type = typename std::remove_reference::type; // 1. 通过typeid获得类型名称 const char* name = typeid(type).name(); std::string result; // 2. 通过gcc/clang扩展api获得demangled name #ifndef _msc_ver char* demangled_name = abi::__cxa_demangle(name, nullptr, nullptr, nullptr); result += demangled_name; free(demangled_name); #else result += name; #endif // _msc_ver // 3. 添加丢弃的修饰 if (std::is_const::value) result += const; if (std::is_volatile::value) result += volatile; if (std::is_lvalue_reference::value) result += &; if (std::is_rvalue_reference::value) result += &&; return result; } struct base {}; struct derived : base {}; int main() { std::cout << type_name() << ; std::cout << type_name() << ; std::cout << type_name() << ; }实现分为三个步骤，注释已经写得很清晰了，这里补充几个重点。第一，demangled api的返回值是采用malloc()分配的内存，需要手动进行释放。第二，type_info::name()会丢弃cv及引用修饰符，所以还需要手动添加这些修饰。最终输出如下图所示。 这种实现方式来自https://stackoverflow.com/a/20170989。优点在于，可以统一格式，输出清晰。缺点在于，实现稍微麻烦，要考虑更多情况，且发生于运行期。 4 编译器扩展特性 编译器还存在另一种扩展，包含有类型信息。大家也许用过__func__，这是每个函数内部都会预定义的一个标识符，表示当前函数的名称。于c99添加到c标准，c++11添加到了c++标准，定义如下。 static const char __func__[] = function-name;c++引入的这个说是implementation-defined string，意思也是基于实现的，不过在三个平台上的输出基本是一致的。这个标识符只包含函数名称，并不会附带模板参数信息。但是与其相关的扩展附带有这部分信息，gcc/clang的扩展为__pretty_function__，msvc的扩展为__funcsig__。 它们的内容形式也是基于实现的，一个简单的例子如下。 template consteval auto type_name() { #ifdef _msc_ver return __funcsig__; #elif defined(__gnuc__) return __pretty_function__; #elif defined(__clang__) return __pretty_function__; #endif } int main() { std::cout << type_name(); }输出分别为： // gcc consteval auto type_name() [with t = int] // clang auto type_name() [t = int] // msvc auto __cdecl type_name(void)gcc的这种格式不错，clang丢弃了consteval，msvc同样如此，但它加上了函数调用约定。 现在需要做的，就是根据这些信息，解析出想要的信息。可以借助c++17 std::string_view在编译期完成这个工作。具体实现如下。 template consteval auto type_name() { std::string_view name, prefix, suffix; #ifdef __clang__ name = __pretty_function__; prefix = auto type_name() [t = ; suffix = ]; #elif defined(__gnuc__) name = __pretty_function__; prefix = consteval auto type_name() [with t = ; suffix = ]; #elif defined(_msc_ver) name = __funcsig__; prefix = auto __cdecl type_name(void); #endif name.remove_prefix(prefix.size()); name.remove_suffix(suffix.size()); return name; }通过使用std::string_view，以上代码全都发生于编译期。该代码来自https://stackoverflow.com/a/56766138。这个实现方式要比demanged name好，不会丢失修饰，类型信息完善，且发生于编译期。缺点也有，编译器扩展一般都是基于实现的，没有标准保证，内容形式可能会改变，依赖于此的实现并不具备较强的稳定性。 5 circle 对比以上实现，可以发现，反而是第一种办法，即主动触发name lookup报错这种方式最简单，且最稳定、最通用。其他方法都依赖了编译器扩展特性，虽然可以达到目的，但技巧偏多，没有保证。大家要是读过之前更新的四章「c++反射」文章，就知道类型名称其实是一个最基本的类型元信息，只要编译器支持反射，那么实现这个需求是再简单不过了。在此，我们就来看看circle提供的强大元编程能力，是如何优雅地实现这个功能的。注：circle基本内容，请看c++反射第三章。circle对于该需求的实现如下： template void print_types() { printf(%d - %s , int..., ts.string)...; } print_types(); // output: // 0 - int // 1 - double // 2 - const char* // 3 - int&&是不是太简单了！而且还要强大许多，比如还可以去重、排序： template void f() { printf(unique: ); print_types(); printf(sort by type name: ); print_types
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