C++ SFINAE: 치환 실패는 오류가 아님
템플릿 오류를 이용한 함수 오버로딩 테크닉
SFINAE는 Substitution Failure Is Not An Error(치환 실패는 오류가 아님)의 약자로, 템플릿 매개변수에 자료형이나 값을 넣을 수 없어도 컴파일 오류가 발생하지 않고 해당 템플릿에 대해서는 코드 생성을 무시하는 현상을 말합니다. 템플릿 메타 프로그래밍의 기초가 되는 기법으로, 템플릿의 매개변수(타입 이름 등) 입력에 제약을 걸어주고 함수 오버로딩 시 프로그래머가 함수 선택을 제어할 수 있게 합니다.
예시
아래는 SFINAE의 기본 예시입니다.
#include <iostream>
struct Case {
using inner_t = int; // `inner_t`를 정의, `Case::inner_t`는 `int`
};
template<typename T>
void println(typename T::inner_t t) { // 만약, `T`에 `inner_t`가 정의되어 있다면 이 함수를 오버로딩
// `t`의 타입은 `T::inner_t`
std::cout << "inner_t is defined: " << t << std::endl;
}
template<typename T>
void println(T t) { // 만약, `T`에 `inner_t`가 정의되어 있지 않다면 이 함수를 오버로딩
std::cout << "inner_t is not defined: " << t << std::endl;
}
int main() {
println<Case>(10);
println<int>(20);
return 0;
}
inner_t is defined: 10
inner_t is not defined: 20
주어진 타입 인자 Case, int에 따라 println 함수가 다르게 호출되는 것을 볼 수 있습니다.
println<Case>에는Case::inner_t가int로 정의되어 있었기 때문에 정상적으로int로 치환되어 첫 번째println함수가 오버로딩 될 수 있었습니다.println<int>에 경우int::inner_t는 정의되지 않아 치환 실패가 발생합니다. 하지만, 컴파일 오류가 발생하지 않고 이어 두 번째println함수 템플릿을 확인해 이에 오버로딩 되었습니다.
참고: SFINAE 예시
활용
C++의 virtual 키워드가 상속을 통해 동적 다형성(Dynamic Polymorphism)을 구현하는 역할을 했다면, SFINAE는 템플릿을 통해 정적 다형성(Static Polymorphism)을 구현합니다. 정적 다형성은 컴파일 시간에 함수가 결정되기 때문에, 프로그램 실행 이후 vtable에서 함수를 탐색하고 호출을 결정해야 하는 동적 다형성에 비해 빠르게 동작합니다.
아래는 Point의 템플릿 인자 T에 따라 함수를 다르게 호출하는 예시입니다.
#include <iostream>
#include <string>
#include <type_traits>
template<typename T>
struct Point {
std::string name;
T x;
T y;
};
template<typename T>
typename std::enable_if_t<std::is_integral_v<T>> println_point(const Point<T>& point) { // `T`가 정수형이면 이 함수를 오버로딩
std::cout << point.name << '<' << typeid(T).name() << '>' << " = integral point (" << point.x << ", " << point.y << ")" << std::endl;
}
template<typename T>
typename std::enable_if_t<!std::is_integral_v<T>> println_point(const Point<T>& point) { // `T`가 정수형이 아니면 이 함수를 오버로딩
std::cout << point.name << '<' << typeid(T).name() << '>' << " = non-integral point (" << point.x << ", " << point.y << ")" << std::endl;
}
int main() {
Point<int> p0{ "p0", 1, 2 };
Point<long long> p1{ "p1", 3ll, 4ll };
Point<float> p2{ "p2", 0.1f, 0.2f };
Point<double> p3{ "p3", 0.3, 0.4 };
println_point(p0);
println_point(p1);
println_point(p2);
println_point(p3);
return 0;
}
p0<int> = integral point (1, 2)
p1<__int64> = integral point (3, 4)
p2<float> = non-integral point (0.1, 0.2)
p3<double> = non-integral point (0.3, 0.4)
std::is_integral_v<T>는 std::is_integral<T>::value의 약칭(alias)으로 T가 정수형(int, long, char, bool 등)인지 확인하고 true 또는 false를 반환하는 템플릿 메타 함수(template meta function)입니다. 메타 함수란 보통의 함수처럼 값에 대해 연산을 하는 것이 아닌 타입에 대해 연산을 합니다. 또한, 템플릿 함수이기 때문에 ()을 이용해 호출하지 않고 <>로 템플릿 인자를 전달함을 확인할 수 있습니다.
#include <iostream>
#include <type_traits>
int main() {
std::cout << std::is_integral_v<int> << std::endl
<< std::is_integral_v<float> << std::endl;
return 0;
}
1
0
std::enable_if_t<B, T = void>는 std::enable_if<B, T = void>::type의 약칭(alias)으로 B가 true이면 T를 반환하는 템플릿 메타 함수입니다. (정확히는 ::type을 T 타입으로 정의함)
template<bool B, class T = void>
struct enable_if {};
template<class T>
struct enable_if<true, T> {
typedef T type;
};
enable_if의 구현을 보면 알 수 있듯, B가 true라면 두 번째 템플릿 코드가 적용되어 type을 T로 정의합니다. (enable_if<true, T>::type == T) B가 false면 첫 번째 템플릿이 적용되어 enable_if<true, T>::type의 치환 실패를 유도합니다.
참고: C++ enable_if
다시 println_point 함수로 돌아가 해석을 하면, T가 정수형(std::is_integral_v<T>가 true)이면 첫 번째 템플릿은 typename std::enable_if_t<std::is_integral_v<T>> println_point가 void println_point로 치환되고 두 번째 템플릿은 치환 실패가 발생해 첫 번째 함수로 오버로딩됩니다. 반대로 T가 정수형이 아닐(!std::is_integral_v<T>가 true) 경우 첫 번째 템플릿은 치환 실패가 발생하고 두 번째 템플릿은 치환에 성공해 두 번째 println_point으로 오버로딩됩니다.